Даже вдали от Земли в космосе плавает множество вещей.
Представьте, что вы отправляетесь в самое глубокое и безлюдное место во Вселенной, достигая идеального, тотального вакуума. Были бы вы окружены пустотой? Ответ на этот вопрос гораздо тоньше, чем вы можете себе представить.
Современное путешествие в вакуум началось в 17 веке с яркого эксперимента, разработанного Отто фон Герике, мэром города Магдебург в Священной Римской империи. В рамках политического трюка, призванного показать, что его город восстановился после разрушений 30-летней войны, фон Герике устроил демонстрацию для императора и других известных людей, чтобы продемонстрировать свой недавно изобретенный вакуумный насос. Соединив два полушария вместе и откачав весь воздух, Отто показал, что даже упряжка лошадей не сможет разъединить полушария.
Вопреки тысячелетиям европейской мысли, последовавшей за аргументом Аристотеля о том, что "природа не терпит вакуума", фон Герике показал, что вакуум возможен.
В течение десятилетий, последовавших за демонстрацией фон Герике, философы и ученые задавались вопросом, заполнены ли обширные пространства космоса каким-либо материалом, известным как эфир, который служил бы двум целям: во-первых, он по-прежнему препятствовал бы образованию настоящего вакуума, и, во-вторых, он функционировал бы как среда для распространения световых волн.
Однако в конце 1800-х годов два физика из Кливленда, Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, разработали хитроумный эксперимент по измерению изменений скорости света при движении Земли в эфире. Никаких изменений обнаружено не было — и вскоре Эйнштейн продемонстрирует, что скорость света всегда была постоянной — поэтому ученые в конечном итоге отошли от концепции эфира, допуская возможность истинного вакуума.
Тем не менее, даже вдали от Земли, вокруг плавает множество всякого хлама: заряженные частицы, проносящиеся тут и там, блуждающие атомы водорода, кусочки пуха и пыли, занимающиеся своими делами. Несмотря на то, что плотность межзвездного пространства в миллиарды раз ниже, чем даже в наших самых пустых вакуумных камерах, созданных человеком, оно не пусто на 100%.
Чтобы достичь самых пустынных мест во Вселенной, вы должны отправиться в космические пустоты, обширные области небытия, которые доминируют в объеме космоса. В глубинах самых больших пустот вы можете находиться на расстоянии сотен миллионов световых лет от ближайшей галактики. Ядра пустот настолько пусты, что даже темная материя - таинственная, невидимая форма материи, составляющая основную массу каждой галактики, — даже не ощущает своего присутствия.
Но все же космос на самом деле не был бы пустым. Весь космос наполнен легкими нейтральными частицами, называемыми нейтрино, а также излучением, оставшимся с первых дней существования Вселенной. Это излучение, известное как космический микроволновый фон (CMB), ответственно за более чем 99,99% всего излучения во Вселенной, и сбежать от него невозможно. Итак, даже в самых темных пустотах вы не совсем одиноки.
Итак, предположим, вы должны были построить гигантскую коробку, достаточно толстую, чтобы блокировать нейтрино и реликтовое излучение, оставив вас внутри в одиночестве. (Технически, стенки ящика должны излучать собственные фотоны, но давайте оставим это в стороне для нашего мысленного эксперимента.) Вы были бы тогда одни?
Квантовая физика дает удивительный ответ: нет. Физики обнаружили, что квантовые поля пропитывают все пространство и время, и эти квантовые поля порождают частицы повседневной жизни. Но когда квантовые поля предоставлены самим себе, они обладают внутренней энергией, известной как энергия вакуума. Эта энергия вездесуща во вселенной. Даже если бы вокруг вас не было никаких частиц, у вас все равно была бы эта энергия, которая была бы вашим единственным спутником.
Ну и что, что вы изобрели устройство для нейтрализации энергии вакуума (что технически невозможно, но давайте продолжим мысленный эксперимент)? Хотели бы вы, наконец, по-настоящему остаться одни во вселенной, окруженные совершенным идеалом всеобъемлющего небытия?
Ответ на этот вопрос ... зависит от обстоятельств. Вы по-прежнему были бы объектом в пространстве, и некоторые считают, что само пространство имеет существование. Нам нравится думать о пространстве просто как о математической абстракции, способе для нас измерить местоположение и протяженность. Но концепция пространства начала приобретать более конкретный характер с работами Рене Декарта, гения 17 века, который изобрел математическую основу для описания пространства. Если вы когда-либо записывали оси x и y декартовой сетки, вы должны благодарить за это Декарта.
Исаак Ньютон выдвинул концепцию пространства на новый уровень, чтобы оно служило абсолютным фоном для движения объектов и физических законов, управляющих их поведением. Это современная физика в двух словах: объекты движутся и взаимодействуют друг с другом на фоне пространства, которое предполагается существующим.
Эйнштейн сделал еще один шаг вперед с помощью общей теории относительности, где пространство из фоновой сцены превращается в главного действующего лица — динамичную, гибкую сущность, которая реагирует на присутствие материи и направляет движение этой материи. Именно само пространство и особенно его динамика порождают силу притяжения.
Итак, пространство - это просто математическая абстракция, инструмент, который мы используем для описания взаимосвязи между физическими объектами, или это нечто большее? Вот интересная мысль: а как насчет гравитационных волн? Для движения гравитационных волн не требуется присутствия материи или энергии; они просто существуют как колебания в самом пространстве-времени. Итак, если пространство - это просто математический инструмент, то как волны могут существовать сами по себе?
Однозначного ответа на вопрос о том, может ли существовать истинное ничто. Возможно, концепция пространства - всего лишь математический трюк и не существует сама по себе. Или, возможно, куда бы вы ни отправились, вы всегда находитесь где-то в космосе, поэтому вас всегда что-то будет окружать.