ในชีวิตประจําวัน คําว่า "สูญญากาศ" มักปรากฏในหูของเรา เช่น อาหาร "บรรจุสูญญากาศ" ทุกที่ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เราเรียกว่า "สุญญากาศ" นั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าสภาวะที่อากาศถูกระบายออก แม้ว่าเราจะพยายามอย่างเต็มที่ แต่เราก็อาจไม่สามารถระบายอากาศได้จนหมด และแม้ว่าอากาศจะหมดลง แต่ก็ยังมีองค์ประกอบมากมายในขวดแก้ว เช่น แสง นิวตริโน รังสีคอสมิก ฯลฯ

ถอยหลังไปหนึ่งก้าว แม้ว่าสารข้างต้นจะหายไปหมด แต่ขวดว่างเปล่าจริงหรือ?

คําตอบยังคงไม่ ไม่ว่าคุณจะนําสารออกจากขวดอย่างไร คุณจะไม่สามารถขจัดองค์ประกอบสําคัญเพียงอย่างเดียวได้ นั่นคือ พื้นที่ (เวลา) เราไม่สามารถล้างพื้นที่และเวลาในขวดได้

สิ่งนี้เผยให้เห็นความจริง: "สุญญากาศ" ที่แท้จริงไม่สามารถดํารงอยู่ได้

ในอดีต การอภิปรายและการโต้เถียงเกี่ยวกับ "สุญญากาศ" ไม่เคยหยุดนิ่ง แนวคิดเรื่อง "สุญญากาศ" ดูซ้ําซากจําเจบนพื้นผิว แต่ในความเป็นจริงมันเต็มไปด้วยความลึกลับและเป็นเพราะความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่นี้เองที่แนวคิดของ "สุญญากาศ" ไม่เพียง แต่ทําให้คนโบราณงวย แต่ยังทําให้นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่งงงวยอีกด้วย

ตั้งแต่รุ่งอรุณของอารยธรรม มีการอภิปรายอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับสุญญากาศ: เป็นไปได้ไหมที่สุญญากาศจะมีอยู่ในความเป็นจริง?

ตัวอย่างเช่น อริสโตเติลนักปรัชญาชาวกรีกโบราณเคยเสนอแนวคิดที่ว่า "ธรรมชาติเกลียดชังสุญญากาศ" ซึ่งเขาเชื่อว่าไม่ได้รับอนุญาตในธรรมชาติ ด้วยเหตุนี้เองที่เมื่อเราพยายามสร้างสุญญากาศธรรมชาติดูเหมือนจะ "ขัดขวาง" เราเสมอเพื่อให้มีสสารบางอย่างอยู่ในสุญญากาศอยู่เสมอ

อย่างไรก็ตามเนื่องจากความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่จํากัดมากในเวลานั้นความเข้าใจของผู้คนเกี่ยวกับสุญญากาศส่วนใหญ่อยู่ในระดับปรัชญาซึ่งยากต่อการตรวจสอบผ่านการทดลอง จนกระทั่งศตวรรษที่ 17 มนุษย์เริ่มใช้การทดลองทางวิทยาศาสตร์เพื่อสํารวจความลึกลับของสุญญากาศ

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 17 Torricelli นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีได้ทําการทดลอง

เขาเติมปรอทในหลอดแก้วยาวประมาณหนึ่งเมตร ด้วยนิ้วปิดปลายด้านหนึ่ง แล้ววางคว่ําลงในอ่างที่เต็มไปด้วยปรอท เขาพบว่าความสูงของคอลัมน์ปรอทภายในหลอดแก้วมีเพียงประมาณ 24 ซม. ในขณะที่พื้นที่ประมาณ 0 ซม. ในส่วนบนของท่อนั้นปราศจากสารปรอทและอากาศไม่สามารถเข้าไปได้ เนื่องจากกระบวนการทั้งหมดดําเนินการในซีล

แล้วมีอะไรอยู่ในพื้นที่ 24 ซม. นี้? Torricelli โต้แย้งว่ามี "สุญญากาศ" การทดลองนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "การทดลอง Torricelli" และอุปกรณ์ทดลองกลายเป็นต้นแบบแรกสุดของบารอมิเตอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้น เมื่อเวลาผ่านไป มนุษย์ยังคงปรับปรุงเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง จนจบลงด้วยการสร้างปั๊มสุญญากาศเครื่องแรก

ในศตวรรษต่อ ๆ ไปเทคโนโลยีของมนุษย์ในการทําเครื่องดูดฝุ่นมีเจริญเติบโตเต็มที่มากขึ้นเรื่อย ๆ และผลิตภัณฑ์ "สูญญากาศ" ก็ถูกรวมเข้ากับชีวิตของเรามากขึ้นเรื่อยๆ นักวิทยาศาสตร์สนใจสุญญากาศมากขึ้น: สุญญากาศ "ไม่มีอะไร" จริงหรือ? ถ้าไม่มี มีอะไรอีกบ้าง?

ในจักรวาลมหภาคสุญญากาศที่เราเห็นดูเหมือนจะว่างเปล่าอย่างแท้จริง แต่ถ้าเราซูมเข้าไปที่สุญญากาศเข้าไปในจักรวาลขนาดเล็ก คุณจะพบว่าสุญญากาศนั้นซับซ้อนกว่าที่เราคิดมาก และอาจซับซ้อนกว่าจักรวาลขนาดใหญ่ด้วยซ้ํา

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้แม้ว่าขวดแก้วกลวงจะถูกแยกออกจากโลกภายนอกโดยสิ้นเชิงโดยไม่มีแสงรังสีและนิวตริโนเข้ามาและแม้ว่าอุณหภูมิจะถึงศูนย์สัมบูรณ์ แต่ช่องว่างภายในขวดแก้วก็ไม่ได้ว่างเปล่า แต่มีการใช้งานมาก

ตามกลศาสตร์ควอนตัมมี "ความผันผวนของควอนตัม" อย่างต่อเนื่องซึ่งคู่ของอนุภาคเสมือนจะปรากฏขึ้นแบบสุ่มแล้วหายไปทันที อนุภาคเสมือนคู่เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยการ "ยืม" พลังงาน และเมื่อหายไป พวกมันจะคืนพลังงานไปยังสุญญากาศ โดยรักษาการอนุรักษ์พลังงานทั้งหมด ทั้งหมดนี้เป็นไปได้ตราบใดที่คู่อนุภาคเสมือนถูกสร้างขึ้นและหายไปเร็วพอ การสร้างและการหายไปอย่างต่อเนื่องของอนุภาคเสมือนดังกล่าวทําให้สุญญากาศอยู่ใน "สภาวะตื่นเต้น"

และโดยทั่วไปหากสุญญากาศว่างเปล่าจริงๆเราสามารถพิจารณาว่าสุญญากาศอยู่ใน "สถานะพื้นดิน" และพลังงานทั้งหมดควรเป็นศูนย์ แต่ในความเป็นจริงตามหลักการความไม่แน่นอนของกลศาสตร์ควอนตัมมีความผันผวนบางอย่างในพลังงานของสภาวะใด ๆ ของสสารและยิ่งช่วงเวลาสั้นลงความผันผวนของพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นและความสัมพันธ์ระหว่างกันสามารถแสดงได้ดังนี้:

ดังนั้นแม้แต่สิ่งที่เราเรียกว่าสุญญากาศก็ยังทํางานอยู่ภายในมาก ความไม่แน่นอนหมายความว่ายังมีความผันผวนในการผลิตอนุภาคเสมือน ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้ที่จะไปถึงศูนย์สัมบูรณ์ในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ความผันผวนของพลังงานของสุญญากาศอาจมีขนาดใหญ่มากจนมีการสร้างคู่อนุภาคเสมือนจํานวนมาก

อนุภาคเสมือนเหล่านี้ไม่ใช่อนุภาคจริงและแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากอนุภาคที่เรามีในโลกแห่งความเป็นจริงเช่นอิเล็กตรอน ในความเป็นจริง เราไม่สามารถสังเกตอนุภาคเสมือนได้ เพราะเมื่อเราทําแล้ว คู่อนุภาคเสมือนจะชนกันและทําลายล้างทันที

คุณอาจสงสัยว่า: เนื่องจากเราไม่สามารถสังเกตอนุภาคเสมือนได้โดยตรง เราจะพิสูจน์การมีอยู่ของพวกมันได้อย่างไร

นี่เป็นคําถามที่ดี แต่ก็เป็นคําถามที่ "ไม่ฉลาด" เช่นกัน เพราะในกระบวนการสํารวจจักรวาล สสารส่วนใหญ่เป็นสิ่งที่เราไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง จักรวาลมีขนาดใหญ่มากจนหลายครั้งเราสามารถกําหนดการดํารงอยู่ของบางสิ่งได้ด้วยวิธีการทางอ้อมเท่านั้น เช่นเดียวกับอนุภาคเสมือน

แม้ว่าจะไม่สามารถสังเกตอนุภาคเสมือนได้โดยตรง แต่อนุภาคเสมือนมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคจริงในโลกแห่งความเป็นจริง และนักวิทยาศาสตร์สามารถยืนยันการมีอยู่ของอนุภาคเสมือนได้โดยการศึกษาปฏิสัมพันธ์เหล่านี้

ตัวอย่างเช่น ในช่วงต้นอายุ 1947 นักฟิสิกส์ Lamb และนักเรียนของเขา Rutherford ค้นพบว่ามีความผันผวนของสุญญากาศบางชนิดใน "สุญญากาศ" ที่ส่งผลต่อศักย์ไฟฟ้าของนิวเคลียสไฮโดรเจน ตามอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมความผันผวนของสุญญากาศนี้เกิดจากความผันผวนของอิเล็กตรอนเสมือนและโพซิตรอนเสมือนในสุญญากาศ

ดังนั้นจึงไม่มีสุญญากาศสัมบูรณ์ และสุญญากาศก็มีพลังงานเช่นกัน ซึ่งเรียกว่า "พลังงานจุดศูนย์" แม้จะมีชื่อว่า "พลังงานจุดศูนย์" แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าพลังงานของสุญญากาศเป็นศูนย์ ในความเป็นจริงมีความผันผวนของพลังงานอย่างมากที่นั่นและมูลค่าที่แน่นอนของพวกมันยังคงเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่

ในสุญญากาศที่ดูเหมือนว่างเปล่า เพื่อตรวจสอบสิ่งนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ทําการทดลองที่น่าสนใจ พวกเขาวางแผ่นโลหะที่ไม่มีประจุสองแผ่น เพื่อให้ค่อยๆ เข้าใกล้กันในสุญญากาศ เมื่อแผ่นโลหะเข้าใกล้ความผันผวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในบริเวณสุญญากาศระหว่างแผ่นโลหะจะแสดงผลการคัดกรองอนุญาตให้มีเฉพาะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นภายในช่วงที่กําหนดในขณะที่ด้านนอกของแผ่นจะไม่อยู่ภายใต้ข้อ จํากัด นี้

ส่งผลให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกผันผวนรุนแรงกว่าด้านในส่งผลให้เกิดความไม่สมดุลของพลังงานเล็กน้อย สุญญากาศภายนอกผันผวนรุนแรงกว่าด้านในส่งผลให้เกิดความแตกต่างของแรงดันที่ทําให้แรงดันด้านนอกของแผ่นโลหะสูงกว่าด้านใน แรงดึงที่มองไม่เห็นที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันนี้คือ "เอฟเฟกต์ Casimir" ที่รู้จักกันดีและปรากฏการณ์นี้ยังได้รับการตรวจสอบในการทดลองใน 1996 ปี

เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่าแม้จะมีพลังงานจํานวนมหาศาลที่ซ่อนอยู่ในสุญญากาศ แต่การคํานวณปริมาณพลังงานทั้งหมดอย่างแม่นยําก็เป็นงานที่ซับซ้อนอย่างยิ่งซึ่งเกี่ยวข้องกับปัญหาลึกของทฤษฎีสนามควอนตัม ในกระบวนการคํานวณ คุณอาจพบอนุกรมที่แตกต่างกัน เช่น 12+0+0+0+......=-0/0 ที่ดูเหมือนจะละเมิดกฎของคณิตศาสตร์

คําถามสําคัญคือ เราสามารถควบคุมพลังงานนี้ในสุญญากาศได้หรือไม่?

คําตอบคือใช่ ในทางทฤษฎี พลังงานทุกรูปแบบมีประโยชน์ อย่างไรก็ตาม กระบวนการสกัดพลังงานจากสุญญากาศนั้นแตกต่างจากวิธีที่เรามักจะได้รับพลังงานจากธรรมชาติมาก ตามกฎของอุณหพลศาสตร์พลังงานจะไม่เกิดขึ้นในสุญญากาศและเราจําเป็นต้องทําลายสมดุลทางความร้อนของสุญญากาศเพื่อสร้างความแตกต่างของพลังงานและกระบวนการนี้ไม่ต้องการพลังงานมากเกินกว่าที่เราจะได้จากมันแม้ว่าวิธีนี้ดูเหมือนจะไม่เป็นประโยชน์เป็นพิเศษในขณะนี้

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ "Casimir Effect" ต้องการแรงคงที่ในการใช้กับแผ่นโลหะเพื่อเปลี่ยนอนุภาคในช่องว่างให้เป็นโฟตอนจริง แต่ปริมาณพลังงานที่เราต้องทุ่มเทในกระบวนการนั้นมหาศาล กล่าวโดยย่อ พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น และจะไม่มีสถานการณ์ที่ "สร้างบางสิ่งบางอย่างจากความว่างเปล่า"

การสํารวจสุญญากาศยังคงดําเนินต่อไปเนื่องจากสุญญากาศอาจซ่อนความลับที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของจักรวาล ทฤษฎีบิ๊กแบงถือว่าจักรวาลอย่างที่เราทราบกันดีว่าเริ่มต้นด้วยกระบวนการ "สร้างบางสิ่งบางอย่างจากความว่างเปล่า" เพื่อคลี่คลายธรรมชาติของสุญญากาศชุมชนวิทยาศาสตร์ยังมีหนทางอีกยาวไกล