Na vida diária, a palavra "vácuo" aparece frequentemente em nossos ouvidos, como comida "embalada a vácuo" em todos os lugares. No entanto, o que chamamos de "vácuo" nada mais é do que um estado em que o ar é exaurido. Mesmo se tentarmos o nosso melhor, podemos não ser capazes de drenar completamente o ar e, mesmo que o ar esteja esgotado, ainda existem muitos elementos na garrafa de vidro, como luz, neutrinos, radiação cósmica, etc.

Dando um passo para trás, mesmo que todas as substâncias acima tenham desaparecido, a garrafa está realmente vazia?

A resposta ainda é não. Não importa como você remova a substância da garrafa, você nunca será capaz de remover um elemento essencial – o espaço (tempo). Não podemos esvaziar o espaço e o tempo na garrafa.

Isso revela a verdade de que um verdadeiro "vácuo" não pode existir, pelo menos não com nossos meios tecnológicos atuais.

Historicamente, as discussões e controvérsias sobre o "vácuo" nunca pararam. O conceito de "vácuo" parece monótono na superfície, mas na verdade é rico em mistérios, e é precisamente por causa desse enorme contraste que o conceito de "vácuo" não apenas intrigou os povos antigos, mas também intrigou os cientistas modernos.

Desde os primórdios da civilização, tem havido uma discussão constante sobre o vácuo: é possível que um vácuo realmente exista na realidade?

Por exemplo, o antigo filósofo grego Aristóteles certa vez apresentou a ideia de que "a natureza abomina o vácuo", o que ele acreditava não ser permitido na natureza. É por essa razão que, quando tentamos criar um vácuo, a natureza sempre parece nos "frustrar", de modo que sempre haverá alguma matéria no vácuo.

No entanto, devido ao conhecimento científico muito limitado da época, a compreensão das pessoas sobre o vácuo era principalmente no nível filosófico, o que era difícil de verificar por meio de experimentos. Não foi até o século 17 que os humanos realmente começaram a usar experimentos científicos para explorar os mistérios do vácuo.

Em meados do século 17, o cientista italiano Torricelli realizou um experimento.

Ele encheu um tubo de vidro de cerca de um metro de comprimento com mercúrio, selou uma extremidade com os dedos e colocou-o de cabeça para baixo em uma bacia cheia de mercúrio. Ele descobriu que a altura da coluna de mercúrio dentro do tubo de vidro era de apenas cerca de 24 cm, enquanto o espaço de cerca de 0 cm na parte superior do tubo estava livre de mercúrio e o ar não podia entrar, pois todo o processo era realizado em um selo.

Então, o que há nesse espaço de 24 cm? Torricelli argumenta que há um "vácuo". Este experimento ficou conhecido como o "Experimento Torricelli", e o dispositivo experimental se tornou o primeiro protótipo de um barômetro inventado. Com o tempo, os humanos continuaram a melhorar a tecnologia, culminando na criação da primeira bomba de vácuo.

Nos séculos seguintes, a tecnologia dos seres humanos para fazer o vácuo tornou-se cada vez mais madura, e os produtos de "vácuo" foram cada vez mais integrados em nossas vidas. Os cientistas estão cada vez mais interessados no vácuo: o vácuo é realmente "nada"? Se não, o que mais existe?

No macrocosmo, o vácuo que vemos parece estar literalmente vazio. Mas se ampliarmos o vácuo no microcosmo, você descobrirá que o vácuo é muito mais complexo do que pensamos, e talvez até mais complexo do que o macrocosmo.

Como mencionado anteriormente, embora uma garrafa de vidro esteja completamente isolada do mundo exterior, sem luz, radiação, neutrinos, etc., e mesmo que a temperatura atinja o zero absoluto, o espaço dentro da garrafa de vidro não está de forma alguma vazio, mas muito ativo.

De acordo com a mecânica quântica, há uma constante "flutuação quântica", onde pares de partículas virtuais aparecem aleatoriamente e depois desaparecem imediatamente. Esses pares de partículas virtuais são criados por "empréstimo" de energia e, quando desaparecem, retornam a energia ao vácuo, mantendo a conservação da energia total. Tudo isso é possível desde que pares de partículas virtuais sejam criados e desapareçam rápido o suficiente. A constante criação e desaparecimento dessa partícula virtual coloca o vácuo em um "estado excitado".

E, em geral, se o vácuo estiver realmente vazio, podemos considerar que o vácuo está no "estado fundamental" e sua energia total deve ser zero. Mas, na verdade, de acordo com o princípio da incerteza da mecânica quântica, existem certas flutuações na energia de qualquer estado da matéria, e quanto menor o intervalo de tempo, maior a flutuação de energia, e a relação entre eles pode ser expressa da seguinte forma:

Então, mesmo o que chamamos de vácuo é realmente muito ativo por dentro. A incerteza significa que também existem algumas flutuações na produção de partículas virtuais. De acordo com as leis da termodinâmica, também é impossível atingir o zero absoluto em um ambiente de vácuo. E, em um determinado momento, as flutuações de energia do vácuo podem ser tão grandes que um grande número de pares de partículas virtuais é produzido.

Essas partículas virtuais não são partículas reais e são completamente diferentes das partículas que temos no mundo real, como os elétrons. Na realidade, não podemos observar partículas virtuais, porque uma vez que o fazemos, os pares de partículas virtuais colidem e se aniquilam imediatamente.

Você pode se perguntar: já que não podemos observar diretamente partículas virtuais, como podemos provar sua existência?

Esta é uma boa pergunta, mas também é uma pergunta "não inteligente", porque no processo de explorar o universo, a maior parte da matéria é algo que não podemos observar diretamente. O universo é tão grande que muitas vezes só podemos determinar a existência de algo por meio de métodos indiretos. O mesmo vale para partículas virtuais.

Embora as partículas virtuais não possam ser observadas diretamente, as partículas virtuais interagem com partículas reais no mundo real, e os cientistas podem confirmar a existência de partículas virtuais estudando essas interações.

Por exemplo, já em 1947, o físico Lamb e seu aluno Rutherford descobriram que há algum tipo de flutuação de vácuo no "vácuo" que afeta o potencial elétrico do núcleo de hidrogênio. De acordo com a eletrodinâmica quântica, essa flutuação do vácuo é causada pela flutuação de elétrons virtuais e pósitrons virtuais no vácuo.

Portanto, não há vácuo absoluto, e o vácuo também tem energia, a chamada "energia do ponto zero". Apesar do nome "energia do ponto zero", isso não significa que a energia do vácuo seja zero. Na verdade, existem enormes flutuações de energia lá, e o valor exato delas permanece um grande mistério.

Em um vácuo aparentemente vazio, há na verdade uma enorme quantidade de energia potencial. Para verificar isso, os cientistas realizaram um experimento interessante. Eles colocaram duas placas de metal descarregadas, permitindo que se aproximassem gradualmente uma da outra no vácuo. À medida que as placas metálicas se aproximam, as flutuações das ondas eletromagnéticas na região do vácuo entre elas exibem um efeito de blindagem, permitindo apenas ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda dentro de uma determinada faixa, enquanto a parte externa da placa não está sujeita a essa limitação.

Como resultado, as ondas eletromagnéticas do lado de fora flutuam mais intensamente do que do lado de dentro, resultando em um desequilíbrio sutil de energia. O vácuo do lado de fora flutua mais violentamente do que do lado de dentro, resultando em uma diferença de pressão que faz com que a pressão do lado de fora da chapa seja maior do que do lado de dentro. A força de tração invisível formada por essa diferença de pressão é o conhecido "efeito Casimir", e esse fenômeno também foi verificado em experimentos em 1996 anos.

Vale ressaltar que, apesar da enorme quantidade de energia escondida no vácuo, calcular com precisão a quantidade total de energia é uma tarefa extremamente complexa que envolve o profundo problema da teoria quântica de campos - renormalização. No processo de cálculo, você pode encontrar séries divergentes, como 12+0+0+0+......=-0/0, que parecem violar as regras da matemática.

Então, a questão-chave é: podemos aproveitar essa energia no vácuo?

A resposta é sim. Teoricamente, qualquer forma de energia tem sua utilidade. No entanto, o processo de extração de energia do vácuo é muito diferente da maneira como costumamos obter energia da natureza. De acordo com as leis da termodinâmica, a energia não ocorre no vácuo, e precisamos quebrar o equilíbrio térmico do vácuo para criar uma diferença de energia, e esse processo não requer mais energia do que podemos obter dele, embora esse método não pareça particularmente prático no momento.

Como mencionado anteriormente, o Efeito Casimir, para extrair energia movendo uma placa de metal, é necessário exercer continuamente força sobre a placa de metal para converter as partículas no vazio em fótons reais, de modo a obter energia. Mas a quantidade de energia que precisamos colocar no processo é enorme. Em suma, a energia só pode ser transformada de uma forma para outra, e nunca haverá uma situação de "fazer algo do nada".

A exploração do vácuo continua, porque o vácuo pode esconder os segredos mais profundos do universo. A teoria do Big Bang sustenta que o universo como o conhecemos começou com um processo de "criar algo do nada". Para desvendar a natureza do vácuo, a comunidade científica ainda tem um longo caminho a percorrer.