Im täglichen Leben taucht das Wort "Vakuum" häufig in unseren Ohren auf, wie z. B. überall "vakuumverpackte" Lebensmittel. Was wir jedoch als "Vakuum" bezeichnen, ist nichts anderes als ein Zustand, in dem die Luft erschöpft ist. Selbst wenn wir unser Bestes geben, können wir die Luft möglicherweise nicht vollständig ablassen, und selbst wenn die Luft erschöpft ist, befinden sich immer noch viele Elemente in der Glasflasche, wie Licht, Neutrinos, kosmische Strahlung usw.

Wenn wir einen Schritt zurücktreten, selbst wenn alle oben genannten Substanzen verschwunden sind, ist die Flasche wirklich leer?

Die Antwort lautet immer noch nein. Egal, wie Sie die Substanz aus der Flasche entfernen, Sie werden nie in der Lage sein, ein wesentliches Element zu entfernen – den Raum (die Zeit). Wir können den Raum und die Zeit in der Flasche nicht leeren.

Dies offenbart die Wahrheit, dass ein wahres "Vakuum" nicht existieren kann, zumindest nicht mit unseren derzeitigen technologischen Mitteln.

Historisch gesehen haben die Diskussionen und Kontroversen über das "Vakuum" nie aufgehört. Das Konzept des "Vakuums" scheint oberflächlich betrachtet eintönig zu sein, aber in Wirklichkeit ist es reich an Geheimnissen, und gerade wegen dieses großen Kontrasts hat das Konzept des "Vakuums" nicht nur die Menschen in der Antike, sondern auch die modernen Wissenschaftler verwirrt.

Seit Anbeginn der Zivilisation gibt es eine ständige Diskussion über das Vakuum: Ist es möglich, dass ein Vakuum in der Realität wirklich existiert?

So vertrat der antike griechische Philosoph Aristoteles einmal die Idee, dass "die Natur das Vakuum verabscheut", was seiner Meinung nach in der Natur nicht erlaubt sei. Aus diesem Grund scheint uns die Natur, wenn wir versuchen, ein Vakuum zu schaffen, immer zu "vereiteln", so dass es immer etwas Materie im Vakuum geben wird.

Aufgrund der damals sehr begrenzten wissenschaftlichen Erkenntnisse bewegte sich das Verständnis des Vakuums bei den Menschen jedoch hauptsächlich auf der philosophischen Ebene, was durch Experimente nur schwer zu überprüfen war. Erst im 17. Jahrhundert begannen die Menschen, wissenschaftliche Experimente zu nutzen, um die Geheimnisse des Vakuums zu erforschen.

In der Mitte des 17. Jahrhunderts führte der italienische Wissenschaftler Torricelli ein Experiment durch.

Er füllte ein etwa einen Meter langes Glasröhrchen mit Quecksilber, versiegelte ein Ende mit den Fingern und legte es kopfüber in ein mit Quecksilber gefülltes Becken. Er stellte fest, dass die Höhe der Quecksilbersäule im Inneren des Glasrohrs nur etwa 24 cm betrug, während der Raum von etwa 0 cm im oberen Teil des Rohres frei von jeglichem Quecksilber war und keine Luft eindringen konnte, da der gesamte Prozess in einer Dichtung stattfand.

Also, was befindet sich in diesem 24-cm-Raum? Torricelli argumentiert, dass es ein "Vakuum" gibt. Dieses Experiment wurde als "Torricelli-Experiment" bekannt, und das Experimentiergerät wurde zum ersten Prototyp eines Barometers, das erfunden wurde. Im Laufe der Zeit verbesserten die Menschen die Technologie weiter, was in der Entwicklung der ersten Vakuumpumpe gipfelte.

In den folgenden Jahrhunderten wurde die Technologie des Menschen zur Herstellung von Vakuum immer ausgereifter, und "Vakuum"-Produkte wurden immer mehr in unser Leben integriert. Wissenschaftler interessieren sich zunehmend für das Vakuum: Ist Vakuum wirklich "nichts"? Wenn nicht, was gibt es sonst noch?

Im Makrokosmos scheint das Vakuum, das wir sehen, buchstäblich leer zu sein. Aber wenn wir das Vakuum in den Mikrokosmos hineinzoomen, werden Sie feststellen, dass das Vakuum viel komplexer ist, als wir denken, und vielleicht sogar komplexer als der Makrokosmos.

Wie bereits erwähnt, ist der Raum im Inneren der Glasflasche, obwohl sie vollständig von der Außenwelt isoliert ist, ohne Licht, Strahlung, Neutrinos usw., und selbst wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht, keineswegs leer, sondern sehr aktiv.

Nach der Quantenmechanik gibt es eine konstante "Quantenfluktuation", bei der Paare virtueller Teilchen zufällig auftreten und dann sofort wieder verschwinden. Diese Paare virtueller Teilchen werden durch "Leihen" von Energie erzeugt, und wenn sie verschwinden, geben sie die Energie an das Vakuum zurück, wobei die Erhaltung der Gesamtenergie erhalten bleibt. All dies ist möglich, solange virtuelle Teilchenpaare schnell genug erzeugt werden und verschwinden. Das ständige Erzeugen und Verschwinden dieses virtuellen Teilchens versetzt das Vakuum in einen "angeregten Zustand".

Und im Allgemeinen, wenn das Vakuum wirklich leer ist, können wir davon ausgehen, dass sich das Vakuum im "Grundzustand" befindet und seine Gesamtenergie Null sein sollte. Aber tatsächlich gibt es nach der Unschärferelation der Quantenmechanik bestimmte Fluktuationen in der Energie eines jeden Materiezustands, und je kürzer das Zeitintervall ist, desto größer ist die Energiefluktuation, und die Beziehung zwischen ihnen kann wie folgt ausgedrückt werden:

Sogar das, was wir ein Vakuum nennen, ist also tatsächlich im Inneren sehr aktiv. Unsicherheit bedeutet, dass es auch bei der Produktion virtueller Teilchen zu einigen Schwankungen kommt. Nach den Gesetzen der Thermodynamik ist es auch unmöglich, in einer Vakuumumgebung den absoluten Nullpunkt zu erreichen. Und zu einem bestimmten Zeitpunkt können die Energiefluktuationen des Vakuums so groß sein, dass eine große Anzahl virtueller Teilchenpaare erzeugt wird.

Diese virtuellen Teilchen sind keine realen Teilchen und unterscheiden sich grundlegend von den Teilchen, die wir in der realen Welt haben, wie zum Beispiel Elektronen. In Wirklichkeit können wir virtuelle Teilchen nicht beobachten, denn sobald wir es tun, kollidieren die virtuellen Teilchenpaare und vernichten sich sofort.

Sie fragen sich vielleicht: Da wir virtuelle Teilchen nicht direkt beobachten können, wie können wir dann ihre Existenz beweisen?

Das ist eine gute Frage, aber es ist auch eine "nicht kluge" Frage, denn bei der Erforschung des Universums ist der größte Teil der Materie etwas, das wir nicht direkt beobachten können. Das Universum ist so groß, dass wir die Existenz von etwas oft nur durch indirekte Methoden feststellen können. Das Gleiche gilt für virtuelle Teilchen.

Obwohl virtuelle Teilchen nicht direkt beobachtet werden können, interagieren virtuelle Teilchen mit realen Teilchen in der realen Welt, und Wissenschaftler können die Existenz virtueller Teilchen bestätigen, indem sie diese Wechselwirkungen untersuchen.

Zum Beispiel entdeckten der Physiker Lamb und sein Student Rutherford bereits bei 1947, dass es eine Art Vakuumfluktuation im "Vakuum" gibt, die das elektrische Potential des Wasserstoffkerns beeinflusst. Nach der Quantenelektrodynamik wird diese Vakuumfluktuation durch die Fluktuation von virtuellen Elektronen und virtuellen Positronen im Vakuum verursacht.

Es gibt also kein absolutes Vakuum, und das Vakuum hat auch Energie, die sogenannte "Nullpunktsenergie". Trotz des Namens "Nullpunktsenergie" bedeutet dies nicht, dass die Energie des Vakuums Null ist. Tatsächlich gibt es dort enorme Energiefluktuationen, und deren genauer Wert bleibt ein großes Rätsel.

In einem scheinbar leeren Vakuum gibt es tatsächlich eine riesige Menge an potentieller Energie. Um dies zu überprüfen, führten die Wissenschaftler ein interessantes Experiment durch. Sie platzierten zwei ungeladene Metallplatten, so dass sie sich im Vakuum allmählich aneinander annähern konnten. Wenn sich die Metallplatten nähern, zeigen die elektromagnetischen Wellenfluktuationen im Vakuumbereich zwischen ihnen einen Abschirmeffekt, der nur elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen innerhalb eines bestimmten Bereichs zulässt, während die Außenseite der Platte dieser Begrenzung nicht unterliegt.

Das hat zur Folge, dass die elektromagnetischen Wellen auf der Außenseite stärker schwanken als auf der Innenseite, was zu einem subtilen Ungleichgewicht der Energie führt. Das Vakuum an der Außenseite schwankt heftiger als an der Innenseite, wodurch eine Druckdifferenz entsteht, die dazu führt, dass der Druck auf der Außenseite des Blechs höher ist als auf der Innenseite. Die unsichtbare Zugkraft, die durch diese Druckdifferenz gebildet wird, ist der bekannte "Casimir-Effekt", und auch dieses Phänomen wurde in 1996 Jahren in Experimenten nachgewiesen.

Es ist erwähnenswert, dass trotz der enormen Menge an Energie, die im Vakuum verborgen ist, die genaue Berechnung der Gesamtenergiemenge eine äußerst komplexe Aufgabe ist, die das tiefe Problem der Quantenfeldtheorie beinhaltet - die Renormierung. Während des Rechenprozesses können Sie auf divergente Reihen wie 12+0+0+0+......=-0/0 stoßen, die gegen die Regeln der Mathematik zu verstoßen scheinen.

Die Schlüsselfrage ist also: Können wir diese Energie in einem Vakuum nutzbar machen?

Die Antwort ist ja. Theoretisch hat jede Form von Energie ihren Nutzen. Der Prozess der Energiegewinnung aus einem Vakuum unterscheidet sich jedoch stark von der Art und Weise, wie wir normalerweise Energie aus der Natur gewinnen. Nach den Gesetzen der Thermodynamik tritt Energie nicht in einem Vakuum auf, und wir müssen das thermische Gleichgewicht des Vakuums durchbrechen, um eine Energiedifferenz zu erzeugen, und dieser Prozess erfordert nicht mehr Energie, als wir daraus gewinnen können, obwohl diese Methode im Moment nicht besonders praktisch erscheint.

Wie bereits erwähnt, ist es beim Casimir-Effekt, um Energie durch Bewegung einer Metallplatte zu gewinnen, notwendig, kontinuierlich Kraft auf die Metallplatte auszuüben, um die Teilchen in der Leere in reale Photonen umzuwandeln und so Energie zu erhalten. Aber die Menge an Energie, die wir in den Prozess stecken müssen, ist enorm. Kurz gesagt, Energie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, und es wird nie eine Situation geben, in der man "etwas aus dem Nichts macht".

Die Erforschung des Vakuums geht weiter, denn das Vakuum könnte die tieferen Geheimnisse des Universums verbergen. Die Urknalltheorie besagt, dass das Universum, wie wir es kennen, mit einem Prozess begann, "etwas aus dem Nichts zu erschaffen". Um die Natur des Vakuums zu enträtseln, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft noch einen langen Weg vor sich.