❓ Chân không là gì và liệu nó có thật sự tồn tại?

💁 Trước khi đi vào bài viết này, các bạn nên đọc một bài viết trước đây được tổng hợp bởi Science Realm về chủ đề tương tự: ‘’Hiệu ứng Casimir và chân không lượng tử’’ - https://bom.to/rfTBm

🌌 Chân không, có lẽ không còn ai xa lạ với từ này nữa. Tuy nhiên, không tồn tại một chân không tuyệt đối, hay nói cách khác, không có chân không. Chân không đến nay chỉ có thể được quy ước một cách tương đối, và được hiểu là trạng thái có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trung bình chuẩn, từ đó được chia làm nhiều cấp độ chân không.

1️⃣ Chân không trong lý thuyết cổ điển:
⚛️ Chân không, trong lý thuyết cổ điển, là không gian không chứa vật chất. Như vậy chân không có thể tích khác không và khối lượng bằng không, dẫn đến không có năng lượng. Do không có vật chất bên trong, chân không là nơi không có áp suất.
⚛️ Trang thái chân không, do đó, hiểu là trạng thái có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trung bình chuẩn, và được chia thành:
Chân không thấp (p>100Pa)
🌀 Chân không trung bình (100Pa>p>0.1Pa)
🌀 Chân không cao (0.1Pa>p>10^−5Pa)
🌀 Chân không siêu cao (p<10^−5Pa)

⚛️ Hơn 25 thế kỉ qua, chân không đã được con người gán cho nhiều khái niệm khác nhau.

🌀 Theo quan niệm của các nhà khoa học thời cổ đại ở thế kỉ XV, mà tiêu biểu là Democrite- cha đẻ của thuyết nguyên tử, cho rằng chân không là không gian không chứa vật chất, trống rỗng, hoàn toàn không có gì. Qua đó, có nghĩa là với thể tích khác không, nhưng khối lượng bằng không dẫn đến năng lượng bằng không thì áp suát bằng không. Một thế kỉ sau, Aristote lại phủ nhận chân không và ca ngợi thiên nhiên. Thiên nhiên có mặt ở khắp mọi nơi, cho rằng không gian chứa đầy "ete vũ trụ"-chất "tinh túy tuyệt vời", nó có mặt ở mọi nơi, mọi chốn. Vậy, chân không không thể tồn tại, vì nếu có thì chuyển động của một vật sẽ phải "tức thời" hay "bất tận". Những tư duy ý niệm có tính triết học về chân không. "trống rỗng", "hư vô" thống trị tư duy của thế giới Ả Rập, La Mã, Hy Lạp đó chỉ bị đánh đổ khi có sự ra đời khoa học thực nghiệm của Gallile (1564-1642), Pascal (1623-1662), Torricelli (1608-1647) ở thế kỉ XVII. Dù bản chất của chân không chưa được sáng tỏ nhưng kể từ đó, chân không mới đi dần vào hiện thực cuộc sống.

🌀 Nhưng đến năm 1654, sau thí nghiệm của Quả cầu Magdeburg do Otto Von Guericke tiến hành tại bang Magdeburg, nước Đức, quê hương ông, chân không mới thực sự được hiểu đúng và bắt đầu phục vụ sản xuất. Có thể nói, ông là người đặt nền tảng, là cha đẻ của chân không. Nói về thí nghiệm Quả cầu Magdeburg. Mỗi học sinh đều được học ở trung học, trong thí nghiệm này, có 16 con ngựa - mỗi bên tám con kéo một bán cầu kim loại đã mài nhẵn, áp sát vào nhau và được rút hết không khí bên trong bằng chiếc máy hút chân không cũng do Otto chế tạo vào năm 1650. Qua thí nghiệm này, con người mới thấy được sức ép to lớn của khí quyển lên mặt đất như thế nào.

2️⃣ Tại sao không có một chân không tuyệt đối?
⚛️ Ngày nay, lý thuyết lượng tử đã khẳng định rằng: Do sự đúng đắn của nguyên lý bất định mà luôn có sự dao động khối lượng và năng lượng (dù rất nhỏ) trong lòng chân không. Nghĩa là, những hạt mang năng lượng vẫn tồn tại trong chân không. Chúng tạo ra áp suất trong lòng chân không, gọi là áp suất lượng tử chân không.

⚛️ Và, thực tế đã chứng minh Không tồn tại môi trường chân không hoàn hảo như lý thuyết. Chân không được tạo ra thực tế có ít vật chất, áp suất thấp, được gọi là chân không kĩ thuật.

⚛️ Nếu đặt hai tấm kim loại không tích điện mặt đối mặt trong một chân không, thì chúng sẽ tiến về phía nhau, có vẻ như chẳng có nguyên do gì. Lưu ý là chúng không chuyển động nhiều lắm. Hai tấm có diện tích một mét vuông đặt cách nhau một phần nghìn milimét sẽ chịu một lực tương đương với chỉ một phần mười của một gram.

🔎 Nhà vật lý người Hà Lan Hendrik Casimir lần đầu tiên để ý thấy chuyển động nhỏ xíu này vào năm 1948. “Hiệu ứng Casimir là một biểu hiện của tính kỳ lạ lượng tử của thế giới vĩ mô”, phát biểu của nhà vật lí Steve Lamoreaux tại trường đại học Yale.

🌀 Để tìm hiểu thế giới lượng tử kì bí, cần phải biết nguyên lý bất định Heisenberg, về cơ bản phát biểu rằng chúng ta càng biết nhiều về một số thứ gì đó trong thế giới lượng tử, thì chúng ta càng biết ít về những thứ khác. Thí dụ, bạn không thể suy luận ra vị trí và xung lượng chính xác của một hạt một cách đồng thời. Chúng ta biết càng chắc chắn về vị trí của một hạt, thì chúng ta biết càng mơ hồ về nơi nó sắp đi tới.

🔀 Một mối liên hệ tương tự như vậy tồn tại giữa năng lượng và thời gian, với một hệ quả đầy kịch tính. Nếu không gian thật sự là trống rỗng, thì nó sẽ có năng lượng đúng bằng không tại một thời điểm được xác định chính xác trong thời gian – cái mà nguyên lý bất định cấm không cho chúng ta biết được.

🔀 Như vậy, chẳng có cái gì là chân không cả. Theo lí thuyết trường lượng tử, không gian trống rỗng thật ra đang tràn ngập những vật chất có thời gian sống ngắn, chúng xuất hiện trong khoảnh khắc rồi biến mất trở lại, nói chung là ngăn không cho vũ trụ vi phạm nguyên lí bất định. Trong đa số trường hợp, vật chất này là các cặp photon và các phản hạt của chúng nhanh chóng hủy lẫn nhau thành một làn năng lượng. Những điện trường nhỏ xíu gây ra bởi những hạt thoắt ẩn thoắt hiện này, và tác dụng của chúng lên các electron tự do trong các tấm kim loại, có thể giải thích cho hiệu ứng Casimir.

3️⃣ Vận tốc ánh sáng trong CHÂN KHÔNG? CHÂN KHÔNG ở đây là gì?
⚛️ Trong điện từ học cổ điển, chân không của môi trường tự do, hay môi trường tự do hay chân không hoàn hảo, là một môi trường tham chiếu chuẩn cho các hiệu ứng điện từ. Một vài tác giả xem môi trường tham chiếu này là chân không cổ điển, một thuật ngữ có khuynh hướng để phân biệt với chân không QED hay chân không QCD, nơi mà sự dao động chân không có thể tạo ra mật độ hạt ảo tức thời và hằng số điện môi và độ thấm tương đối không giống nhau.

⚛️ Trong lý thuyết điện từ học cổ điển, môi trường tự do có các tính chất sau:
🌀 Bức xạ điện từ truyền qua mà không bị cản trở với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng, 299.792,458 m/s theo đơn vị SI.
🌀 Các nguyên tắc chồng chất điện từ hoàn toàn chính xác.
🌀 Điện môi và thấm điện chính là hằng số điện môi ε0]][ vá hằng số từ μ0]], lần lượt (theo đơn vị SI), hay chính xác là 1 (theo đơn vị Gauss).
🌀 Trở kháng (η) bằng trở kháng của môi trường chân không Z0 ≈ 376.73 Ω.

📂  Nguồn: Science Realm, Wikipedia, mariaminhthanh.com.

#ScienceRealm #Physics #Vatly