Hư vô

Chân không (tiếng Anh: vacuum), trong lý thuyết cổ điển là không gian không chứa vật chất. Từ 'vacuum' xuất phát từ một từ Latin vacuus có nghĩa là 'trống' hoặc là 'khoảng trống'. Như vậy chân không có thể tích khác không và khối lượng (và do đó năng lượng) bằng không. Do không có vật chất bên trong, chân không là nơi không có áp suất.

Một số lý thuyết lượng tử cho biết khái niệm chân không theo nghĩa cổ điển không tồn tại, do vi phạm nguyên lý bất định. Chân không, theo các lý thuyết này, luôn có sự dao động khối lượng (và do đó năng lượng) nhỏ. Điều này nghĩa là, ở một thời điểm nào đó, luôn có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên các hạt có năng lượng dương và một thời điểm khác hạt này biến mất. Các hạt ngẫu nhiên xuất hiện trong chân không tạo ra một áp suất gọi là áp suất lượng tử chân không. Các thí nghiệm đo đạc áp suất này sẽ giúp khẳng định độ chính xác của các lý thuyết lượng tử về chân không.

Trong thực tế, không có nơi nào trong vũ trụ quan sát được tồn tại chân không hoàn hảo như lý thuyết. Các thí nghiệm và các ứng dụng thực tế có thể tạo ra các không gian chứa ít vật chất và có áp suất thấp. Những không gian này cũng hay được gọi là 'chân không' trong kỹ thuật, như khi nói về máy bơm chân không, tùy theo quy ước về giới hạn áp suất thấp. Như vậy, chân không được hiểu là khoảng không-thời gian cụ thể có mật độ vật chất thấp và/hoặc rất thấp. Lưu ý, khái niệm thấp và rất thấp ở đây được hiểu một cách tương đối...

Trạng thái hầu như chân không, có nghĩa là trạng thái có áp suất thấp hơn áp suất không khí bình thường, và được phân chia thành:

1. Chân không thấp (p > 100Pa)
2. Chân không trung bình (100Pa > p > 0.1Pa)
3. Chân không cao (0.1Pa > p > 10Pa)
4. Chân không siêu cao (p < 10Pa)

Nói chung, nơi gần nhất với chân không là khoảng trống giữa các thiên thể, hoặc không gian ngoài lề vũ trụ (khoảng cách từ Trung tâm Vụ Nổ Lớn hơn 15 tỷ năm ánh sáng).

Hạt photon của ánh sáng và bức xạ điện từ được cho là di chuyển trong chân không, chính xác hơn là trong không gian không có bất kỳ vật chất nào ngoài hạt này, với tốc độ không đổi và không phụ thuộc vào hệ thống tọa độ, thường được gọi là tốc độ ánh sáng.

Lịch sử

Hơn 25 thế kỉ qua, con người đã liên kết chân không với nhiều khái niệm khác nhau.

Theo quan niệm của các nhà khoa học cổ đại vào thế kỉ XV, Democritos - người sáng lập thuyết nguyên tử, cho rằng chân không là không gian không chứa vật chất, trống rỗng, hoàn toàn trống vắng. Tuy nhiên, Aristote cách đây một thế kỉ đã bác bỏ khái niệm này và ca ngợi sự tồn tại của thiên nhiên khắp nơi.

Từ năm 1654, sau khi Otto von Guericke thực hiện thí nghiệm Quả cầu Magdeburg tại Magdeburg, nước Đức, chân không mới được hiểu đúng và bắt đầu được áp dụng vào sản xuất.

Ngày nay, lý thuyết lượng tử xác nhận rằng, do nguyên lý bất định, chân không luôn tồn tại sự dao động nhỏ về khối lượng và năng lượng, gọi là áp suất lượng tử chân không.

Thực tế đã chứng minh không tồn tại môi trường chân không hoàn hảo như lý thuyết. Chân không kĩ thuật thực tế có ít vật chất và áp suất thấp hơn.

Điện từ học

Trong lĩnh vực điện từ học cổ điển, khái niệm 'chân không của môi trường tự do' hoặc 'môi trường tự do' hay 'chân không hoàn hảo' đóng vai trò là môi trường tham chiếu chuẩn cho các hiện tượng điện từ. Đây là một thuật ngữ để phân biệt với các môi trường chân không khác như chân không QED hay chân không QCD, nơi mà các hiện tượng điện từ có thể tạo ra mật độ hạt ảo và hằng số điện môi không đồng nhất.

Trong lý thuyết điện từ học cổ điển, môi trường tự do có những đặc tính sau:

- Bức xạ điện từ có thể truyền qua mà không gặp sự cản trở, với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng, khoảng 299.792,458 m/s theo SI. - Nguyên lý về chồng chất điện từ là hoàn toàn chính xác. - Hằng số điện môi ε₀ và hằng số từ μ₀ là hằng số không đổi (theo SI), chính xác bằng 1 (theo Gauss). - Trở kháng η bằng trở kháng của môi trường chân không Z₀ ≈ 376.73 Ω.

Chân không trong điện từ học cổ điển có thể được coi là môi trường điện từ lý tưởng, quan hệ này được biểu diễn trong hệ SI.

$D(r,t)={\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_{0}E(r,t)$

$H(r,t)=\frac{1}{{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0}B(r,t)$

mối tương quan giữa trường D và E, và trường từ H-field H thành trường từ B-field B. Với r là vị trí trong không gian và t là thời gian.

Liên kết ngoài

• Chân không tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Chân không tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)