Täyteläinen tyhjyys & Casimir -efekti

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

[size=150:3kv3crs9]Olemattomuus on aina kiehtonut luonnontieteilijöitä. Jo muinaiset kreikkalaiset luonnonfilosofit miettivät tyhjyyden luonnetta ja siitä ollaan väännetty kättä näihin päiviin asti.[/size:3kv3crs9]

Nykytietämyksellä tyhjyyttä ei ole, vaan tyhjinkin tila on energian kuohuva valtameri täynnä subatomaarisia hiukkasia joiden olemassaolo kestää vain sekunnin murto-osan.
Tyhjiöiksi kutsuttuja ilmattomia tiloja ei todellakaan voi pitää nimensä veroisina; pelkästään Maan pinnalla ja laboratoriossa vallitsevat olosuhteen tekevät täydellisen tyhjiön muodostumisen mahdottomaksi säteilyn takia.
Laboratorioissa voidaan saavuttaa nykyajan menetelmillä hieman alle hehtopascalin miljardisosa paineen. Tuntuuhan se alhaiselta, mutta sellaisessa paineessa aineen tiheys on muutamia satoja molekyylejä/atomeja kuutiosenttimetriä kohde, eli ei läheskään täydellinen tyhjiö.
Myös laboratorion lämpötila vaikuttaa asiaan: mitä lämpimämmissä olosuhdeissa "tyhjiö" muodostetaan, sitä enemmän se sisältää energiaa.
Avaruudessa, jossa ei vallitse maan häiritsevät olosuhteet, asia on jo ihan toinen. Siellä aineen keskimääräinen tiheys on vain muutamia atomeja kuutiosenttimetriä kohden ja tästä johtuen avaruudesta löytyy runsaasti kohtia, joissa atomeja ei tavata ollenkaan.
Ovatko nämä kohdat täydellisiä tyhjiöitä?
Vastaus on jyrkkä ei; avaruus on pullollaan säteilyä, esim. alkuräjähdyksestä peräisin olevaa mikroaaltosäteilyä, ns. jälkilämpöä.
Tämän taustasäteilyn vuoksi maailmankaikkeuden lämpötila on n. 2.73 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

[size=150:3kv3crs9]Mitä tyhjyys sitten tarkoittaa?[/size:3kv3crs9]

Muinaiset kreikkalaiset filosofit miettivät ankarasti tyhjyyden luonnetta. He päätyivät lähes yksimielisesti siihen, että tyhjyyttä ei voi olla olemassa. "Jos pitää tarkistaa, onko jokin tila tyhjä, sinne täytyy viedä mittausvälineet eikä tila enää tällöin ole tyhjä". Tällaisista päätelmistä esimerkiksi Aristoteles julisti tyhjyyden mahdottomaksi. Aristoteleen koulukunnan opeista syntyi jopa latinankielinen käsite horror vacum, joka tarkoittaa tyhjän kammoa. Sen mukaan tyhjiö ikäänkuin imee itseensä ainetta, koska luonto kammoksuu tyhjyyttä.
Jo ennen Aristotelesta filosofit olivat pohtineet ja keskustelleet kiivaasti tyhjyyden fyysisestä luonteesta.
He jakaantuivat kahteen leiriin: pluralisteihin ja atomisteihin. Pluralistit ajattelivat, että tyhjyyttä ei ole, vaan maailmassa kaikki oli pelkästään ilmaa, tulta, vettä tai maata tai näiden sekoituksia. Atomistit taas ajattelivat, että kaikki koostuu ikuisista, jakamattomista atomeista joita erottaa toisistaan tyhjyys.
Nykytieteen valossa kumpienkin mietteissä piili totuuden siemen.

[size=150:3kv3crs9]Ensimmäinen tyhjiö?[/size:3kv3crs9]

Elohopeailmapuntarin isä, italialainen fyysikko Evangelista Torricelli, kehitti ja valmisti vuonna 1643 ensimmäisen tyhjiön metrin mittaisen, toisesta päästä umpinaisen lasiputken, joka oli täytetty elohopealla, avulla kääntäen sen niin, että umpinainen pää osoittaa kattoa.
Tyhjiö herätti suunta mielenkiintoa sekä maallikoiden että luonnonfilosofien keskuudessa. Ihmiset saivat hämmästellä julkisissa kokeissa, joissa tehtiin suurehkoja tyhjiöitä, miten kynttilät sammuivat, eläimet ja kasvit kuolivat ja soittolaitteiden ääni hävisi, kun ne vietiin tyhjiöön.
Mutta vieläkään ei silti oltu saatu selville periaatteelisen kysymyksen vastausta tyhjyydestä. Torrecellin tyhjiö ei ollut varsinainen tyhjiö, koska se sisälsi pieniä määriä höyrystynyttä elohopeaa, mutta silti tämä laite onnistui horjuttamaan merkittävästi klassisten luonnonfilosofisten auktoriteettien väittämää: luonto ei sittenkään vieroksunut tyhjyyttä?

[size=150:3kv3crs9]Tyhjyyttä ei sittenkään ole![/size:3kv3crs9]

Valo on myös askarruttanut filosofeja ja maallikoita. Suurin kysymys oli (ja on edelleen joiden tämänkin foorumin käyttäjien mielestä ) mitä valo on?
Fyysikko Sir Isaac Newton tulkitsi kokeidensa tulokset niin, että valo olisi hiukkasten virta ja että valo etenisi ainoastaan hiukkasina. Alankomaalainen Christiaan Huygens taas oli erimieltä ja esitti ensimmäisenä teorian, jonka mukaan valo koostuisi aalloista ja leviää näin ollen kuin aallot vedessä. Teoriassa oli kuitenkin yksi mutta: valo tarvitsisi väliaineen, jossa edetä. Tätä väliainetta alettiin kutsua eetteriksi.
Lopullinen vahvistus valon aaltomaisesta ominaisuudestaan antoi skottilaisen fyysikon, James Clerk Maxwell, tunnetulla sähkömagneettisten kenttien käyttäytymistä kuuvaavalla yhtälöllään.
Tämän skotin käänteentekevällä havainnolla oli suurimerkitys tyhjyyden tutkimuksessa: nyt fyysikkojen ei enää tarvinnut miettiä tyhjyyttä, koska kaikki tila oli täynnä tätä mystistä eetteriä. Tyhjyys oli voitettu.

[size=150:3kv3crs9]Eetteri kumottiin, tyhjyys täyttyi taas kysymyksillä[/size:3kv3crs9]

Eetteri oli täydellinen, ja sen avulla pystyttiin vihdoin ja viimein laskemaan maapallon nopeus avaruudessa. Oletettiin, että jos valon nopeus laskettaisiin eri suunnista, saataisiin selville maapallon nopeus.
Olettamushan oli se, että valo etenee aina tietyllä, luonteenomaisella nopeudella joka suuntiin, riippumatta siitä, miten valonlähde ja vastaanottaja liikkuivat. Jos kuitenkin Aurinko ja Maa etenivät eetterin läpi avaruudessa, niistä valon nopeus riippuisi täysin Maan nopeudesta. Tällöin saataisiin selville Maan nopeus suhteessa ympäröivään avaruuteen.
Yhdysvaltalaiset fyysikot Albert A. Michelson ja Edward Morley tekivät joukon kokeita joilla he yrittivät selvittää Maan nopeuden. Yllätykseksi valon nopeus olikin sama Maan liikkeistä riippumatta ja tämä taas vaatisi kunnollista selitystä. Parikymmentä vuotta tämän jälkeen eräs saksalainen fyysikko tarjosi tyydyttävää selitystä.
Vuonna 1905 fyysikko Albert Einstein julkaisi suhteellisuusteoriansa. Se toi ilmi monia yllättäviä tuloksia ja tulkintoja jotka ovat todettu kokeellisesti paikkaansa pitäviksi jälkeenpäin. Tämä johti lopulta siihen, ettei eetteriä enää tarvittu, vaan valonnopeus olisi vakio ja että se kykenisi etenemään avaruudessa väliaineettomasti. Se kyllä kävi jo ilmi James Maxwellin sm-aaltoja kuvaavissa yhtälöissä, mutta vielä silloin kukaan ei uskaltanut esittää mitään niin kauaskantoisia johtopäätöksiä.
Tyhjä tila alkoi askarruttaa fyysikoita uudestaan.

[size=150:3kv3crs9]Klassiset luonnontieteet vanhainkotiin![/size:3kv3crs9]

J. J. Thomson löysi vuonna 1895 elektronin, joka merkitsisi sitä, että aineella olisi luontainen pyrkimys kasaantua, eikä täyttää tilaa tasaisesti. Vuosisadan vaihteessa Max Karl Ernst Ludwig Planck kehitti mullistavan teorian joka osoitti, että myös energialla oli taipumus esiintyä eräänlaisina paketteina, energian vähimmäis määrinä. Näitä paketteja alettiin kutsua kvanteiksi.
Einstein hyödynsi kvantteja tutkimuksissaan ja kuvasi niiden avulla miten elektroneja voi vapautua valaistusta metallinpinnasta.
Kaikki nämä uudet teoriat ja yhtälöt eivät olleet välttämättä täysin sopusoinnussa klassisen fysiikan kanssa joten fyysikkojen piti perustaa täysin uusi tieteenala, kvanttiteoria.

[size=150:3kv3crs9]Tyhjyys täynnä tuntemattomia hiukkasia[/size:3kv3crs9]

Kvanttiteorian mukaan energiaa ja ainetta pystyi olemaan olemassa vain tiettyinä vähittäismäärinä. Tästä johtuen mittaus koitui hankalaksi ja aiheutti tutkijoille päänvaivaa. Apu tähän löytyi Werner Karl Heisenbergin aivoista.
Heisenberg kehitti kuuluisan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen, joka kuuluu näin: kappaleen paikan epätarkkuuden ja kappaleen liikemäärän epätarkkuuden tulo on pienenpi- tai yhtäsuuri kuin puolet Diracin vakiosta.
Tämä yksinkertainen yhtälö helpotti huomattavasti tutkijoiden mittaustyötä.
Paul Adrien Maurice Dirac onnistui yhdistämään Einsteinin suhteellisuus teorian kvanttiteoriaan ja otti näin suuren edistysaskeleen maailmankaikkeuden mikroskooppisten ilmiöiden ymmärtämisessä. Hän ennusti matemaattisesti antimaterian olemassaolon.
Nämä antihiukkaset täyttäisivät tyhjyyden.

[size=150:3kv3crs9]Tyhjyydessä tuntematonta energiaa. Kuinka paljon?[/size:3kv3crs9]

Heisenbergin epätarkkuusperiaate estää arvon nolla mitattaessa tyhjyyden energiaa. Tämä tarkoittaa, että tyhjässä tilassa on oltava jonkinmoinen energia. Tämän energian mittasi ensimmäistä kertaa yhdysvaltalainen fyysikko Steven Lamoreaux.
Vuonna 1948 Hendrik Brugt Gerhard Casimir osoitti kokeellaan, jossa kaksi metallilevyä viedään hyvin lähelle toisiaan, miten tyhjiön sähkömagneettinen nollapiste-energia saa ne vetämään toisiaan puoleensa. Tämä johtuu levyjen välisen kentän värähtelystä. Levyt estävät kentän vapaan värähtelyn. Tätä ilmiötä kutsutaan Casimir efektiksi.
Lamoreaux mittasi Casimirin efektin arvon vuonna 1997 ja vuonna 2002 kolme italialaista fyysikkoa tarkensi sen nykyiseen muotoonsa.

[size=150:3kv3crs9]Nyhtäissään tyhjästä, kirjaimellisesti[/size:3kv3crs9]

Äkkiseltään ajateltuna jos kappale on tarpeeksi kaukana muista kappaleista, niin siihen ei enää vaikuta mikään ulkoinen voima ja kappale pysähtyy. Näin ei kuitenkaan ole.
Fyysikot ovat ihmetelleen maailmankaikkeuden laajenemista. Se ei ainoastaan laajene tasaisella vauhdilla, vaan kiihtyvällä.
Einstein ehdotti, että olisi olemassa kosminen voima joka pitäisi kaikkeuden vakaana. Se työntäisi avaruutta laajenevaan liikkeeseen ja kompensoisi siten painovoiman supistavan vaikutuksen. Tätä voimaa, kosmologinen vakio, Einstein lopulta nimitti elämänsä suurimmaksi munaukseksi.
1920-luvun lopulla havaittiin, että maailmankaikkeus laajenee, eikä olekkaan vkaa, kosmologista vakiota ei tarvittu enää mihinkään. Laajeneminen voitaisiin selittää liike-energialla, joka oli jäänne alkuräjähdyksestä.
Vasta vähän ennen tämän vuosituhannen alkua havaittiin, että kosmos e pelkästään laajene, vaan laajeneminen myös kiihtyy. Tätä ei taas voitu selittää liike-energian jäänteenä, vaan siihen tarvittiin Einsteinin hylkäämä kosmologinen vakio joka työnsi kosmokselle vauhtia.
Maailmankaikkeuden laajenemista ohjaa siis tyhjyydestä tuleva voima.
Tämän perusteella voisin väittää, että sama voima on antanut alkusysäyksen koko universumille.

[size=150:3kv3crs9]Entä jos...?[/size:3kv3crs9]

Ihmiskunta oppisi hyödyntämää tätä mystistä tyhjiö energiaa. Tällöin ikiliikkuja ei olisi täysi mahdottomuus.
Jo vuonna 1984 yhdysvaltalainen fyysikko Robert Forward kehitti visioita tähtien välisistä matkoista. Avaruusaluket saisivat energiansa Casimirin efektiä hyväksikäyttäen.
Jos keksisimme keinon valjastaa tyhjyyden voiman käyttöömme, kosminen pommi olisi totta. Pommi joka hyvin voisi tuhota galaksin tai jopa luoda uuden maailmankaikkeuden.

Kiitos ja kumarrus jos joku on jaksanut lukea koko tarinan läpi. Paljon jaarittelua, mutta se on pinttynyt tapa. Ja mitäpä seepra raidoilleen voi..
ps. kirjoitusvirheet korjaan sitämukaa kun niitä löydän.

[size=85:3kv3crs9]Lähteet:
http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum
http://en.wikipedia.org/wiki/Evangelista_Torricelli
http://en.wikipedia.org/wiki/Luminiferous_aether (sisältää havainnollistavia kuvia)
http://en.wikipedia.org/wiki/Uncertainty_principle
http://en.wikipedia.org/wiki/Casimir_effect
Tieteen Kuvalehti nro. 7/2007[/size:3kv3crs9]

Kommentit (13)

Vierailija
McRoot
Voisiko tähän jo todeta että viesti oli tyhjää täynnä?
Jos tarkoitat, että postauksessani ei ollut mitään uutta ja mullistavaa tietoa, se ei ollut tarkoituskaan.
Tarkoitukseni oli kirjoittaa lyhyt selostus tyhjän tilan historiasta ja tehdä selväksi, että sellaista ei ole olemassa. Ja vielä lyhyempi selostus siitä, miten tätä voitaisiin ehkä tulevaisuudessa hyödyntää (esim. mahdollinen ikiliikkuja).

Vielä lyhyt selvennys Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta:

Heisenbergin epätarkkuusperiaate tarkoittaa sitä, että hiukkasen paikkaa ja liikemäärää ei voida määrittää äärettömän tarkasti samanaikaisesti.

Puhuin tutkijoiden mittausongelmista. Vaatinee pientä selvennystä:

Ajatellaan, että sinulla on ämpäri, joka on täynnä vettä. Haluan tietää äärettömän tarkasti veden läpötilan. Jotta voisit sen saada selville, sinun on laitettava lämpömittari sinne. Jotta lämpömittari näyttäisi veden lämpötilan, on mittarin ja sitä ympäröivän veden vaihdettava vähän lämpöä keskenään, jotta ne saavuttaisivat saman lämpötilan. Tällöin lukema ei enää ole tarkka, koska siihen on vaikuttanut ulkoinen tekijä.
No. Tämä lämpötilan vaihtelu on häviävän pieni, mutta jos veden määrä kutistettaisiin molekyyleihin, lämpötilan vaihtelu muuttuisi radikaalisti, koska mittausvälineestä siirtyisi runsaasti lämpöä veteen.
Heisenbergin epätarkkuusperiaate selittää, että emme voi mitata kahta asiaa äärettömän tarkasti.

Vierailija
Mesoni
kaksi metallilevyä viedään hyvin lähelle toisiaan, miten tyhjiön sähkömagneettinen nollapiste-energia saa ne vetämään toisiaan puoleensa. Tämä johtuu levyjen välisen kentän värähtelystä. Levyt estävät kentän vapaan värähtelyn. Tätä ilmiötä kutsutaan Casimir efektiksi.



Eivät levyt vedä toisiaan puoleensa vaan jokin tyhjössä painaa niitä vastakkain.

Vierailija

Jos täydellisiä tyhjiöitä ei olisi niin silloin kaikkialla täytyisi koko ajan olla ainetta. Ja jokainen voi päätellä, että näin ei ole. Se on sitten vaikeampi juttu jos halutaan määritellä tila joka on täydellisen tyhjä.

Vierailija

Niitäkin oli kai jossain selvitelty, että aiheuttaako sähkömagneettinen säteily painovoiman... Ei ilmeisesti??

fenomenologi
Eivät levyt vedä toisiaan puoleensa vaan jokin tyhjössä painaa niitä vastakkain.
Vierailija
fenomenologi
Eivät levyt vedä toisiaan puoleensa vaan jokin tyhjössä painaa niitä vastakkain.

Totta on, etteivät itse levyt vedä toisiaan puoleensa normaalisti, vaan tyhjiön nollapiste-energia saa ne vetämään toisiaan puoleensa.
Kyseessähän on tyhjiö, joten ainetta ei sinänsä löydy tästä tilasta (lukuunottamatta levyjä). Sähkömagneettista säteilyä sen sijaa löytyy.
Levyjen olemassaolo estää sähkömagneettisen kentän normaalia värähtelyä niiden välisessä tilassa. Kenttä koostuu aalloista, levyt taas estävät aaltojen, joiden pituus on levyjen keskimääräistä etäisyyttä suurempi, syntymisen. Tämän takia sähkömagneettisen energian tiheys on matalampi levyjen välissä kuin niiden ulkopuolella. Tästä johtuen levyt ikäänkuin vetäisivät toisiaan puoleensa. Tätä kutsutaan Casimirin efektiksi.

Vierailija
Mesoni
[size=150:m14ls9vs]Nyhtäissään tyhjästä, kirjaimellisesti[/size:m14ls9vs]

Äkkiseltään ajateltuna jos kappale on tarpeeksi kaukana muista kappaleista, niin siihen ei enää vaikuta mikään ulkoinen voima ja kappale pysähtyy. Näin ei kuitenkaan ole.
Fyysikot ovat ihmetelleen maailmankaikkeuden laajenemista. Se ei ainoastaan laajene tasaisella vauhdilla, vaan kiihtyvällä.


Tarkennus; Tasaisesti kiihtyvällä vauhdilla, josta saadaan extrapolointi menneisyyteen, että alussa kiihtyvyys ja nopeus oli nolla.

Tässä kohtaan hieman laskentaa, josta saadaan, että aine lähti paikaltaan tasaisesti kiihtyvään vauhtiin niinkin kauan aikaa sitten kuin 356triljoonaa biljoonaa ja 789 miljoonaa potenssiin 289biljoonaa vuotta sitten

Ei siis ollut mitään alkuräjähdystä, jota todistaa juuri universumin tasainen kiihtyvyys. Hieman huonoa tiedettä olisi kuvitella, että universumi alkoi kiihdyttää laajentumista vasta laajentumisen tapahduttua. Oikealla logiikkalla huomataan triviaalisti, että alussa ei ollut mitään järisyttävää, eikä täten tarvita talousteoreetikoiltakaan lainattua inflaatiota mihinkään.

Alussa oli hienoista värinää, jota ei lasketa järistykseksi.

Vierailija
mensaani
Tässä kohtaan hieman laskentaa, josta saadaan, että aine lähti paikaltaan tasaisesti kiihtyvään vauhtiin niinkin kauan aikaa sitten kuin 356triljoonaa biljoonaa ja 789 miljoonaa potenssiin 289biljoonaa vuotta sitten

Vai niin
Olet varmasti tutkinut alkuräjähdysteorian suurennuslasilla ja todennut sen olevan väärin? Olet varmasti myös tutkinut inflaatioteorian ja osaat sen ulkoa luotella.
Nimittäin juuri tämä inflaatioteoria kertoo, että universumi laajeni alle 10^-35 sekunnissa 10^100 kertaiseksi ja sen jälkeen laajeneminen hidastui seuraavat 7 miljardia vuotta jonka jälkeen universumi alkoi laajentumaan tasaisesti kiihtyvällä vauhdilla. Veikkaan, että et ottanut tätä huomioon laskelmissasi?
Iso luku tämä 10^100, mutta ei kyllä ihan niin iso kuin universumin ikä Mensaanin mielestä

Wiki kertoo lisää jos jotakuta kiinnostaa.

Vierailija

Hawkingin kirjan ("Ajan lyhyt historia") mukaan casimir-efekti on jo todistettu. Mitä kaikkea tästä efektistä tiedetään. Onko sitä mahdollista soveltaa jotenkin arkipäivän käyttöön? Keskustelua pystyy, en löytänyt tästä omaa topiccia.

Vierailija
messem
Hawkingin kirjan ("Ajan lyhyt historia") mukaan casimir-efekti on jo todistettu. Mitä kaikkea tästä efektistä tiedetään. Onko sitä mahdollista soveltaa jotenkin arkipäivän käyttöön? Keskustelua pystyy, en löytänyt tästä omaa topiccia.



Se tiedetään että kaksi sileää levyä painautuu toisiaan vasten ulkoisen voiman vaikutuksesta.
Tästä on suljettu pois atomien väliset Wan der waalsin ym. voimat.
Jotkut arvelevan efektin olevan todiste tyhjön poreilusta, se kuitenkin on vain todiste tyhjön paineesta levyjen ulkopuolella.

Vierailija
messem
Hawkingin kirjan ("Ajan lyhyt historia") mukaan casimir-efekti on jo todistettu. Mitä kaikkea tästä efektistä tiedetään. Onko sitä mahdollista soveltaa jotenkin arkipäivän käyttöön? Keskustelua pystyy, en löytänyt tästä omaa topiccia.



Tässäkin ketjussa on juttua Casimir-efektistä. Haulla ja hakusanalla "casimir" löytyy lisää keskustelua asiasta.

Uusimmat

Suosituimmat