Is it possible to create a perfect vacuum? - Rolf Landua and Anais Rassat

آیا ساختن خلاء کامل امکان پذیر است؟ - رالف راندوا و انیس راست

Translator: sadegh zabihi Reviewer: Leila Ataei

The universe is bustling with matter and energy.

جهان از ماده و انرژی سرشار است.

Even in the vast apparent emptiness of intergalactic space,

حتی در فضای به ظاهر خالی بین کهکشانی،

there's one hydrogen atom per cubic meter.

در هر متر مکعب یک اتم هیدروژن وجود دارد.

That's not the mention a barrage of particles

نیاز به یادآوری نیست که رگباری از ذرات

and electromagnetic radiation

و تابش‌های الکترومغناطیسی

passing every which way from stars, galaxies, and into black holes.

از ستاره‌ها و کهکشان‌ها به سمت سیاه‌چاله‌ها گسیل می‌شوند.

There's even radiation left over from the Big Bang.

حتی از انفجار بزرگ هم تشعشعاتی باقی مانده است.

So is there such thing as a total absence of everything?

پس آیا چیزی به نام عدم حضور هیچ چیز وجود دارد؟

This isn't just a thought experiment.

این تنها یک تجربه فکری نیست.

Empty spaces, or vacuums, are incredibly useful.

فضاهای خالی، یا خلا، بسیار کارآمد هستند.

Inside our homes, most vacuum cleaners work

در خانه‌های ما، بیشتر جاروهای برقی

by using a fan to create a low-pressure relatively empty area

به وسیله یک فن افت فشاری نسبی ایجاد می‌کنند

that sucks matter in to fill the void.

تا چیزها را بمکند و محفظه خالی را پر کنند.

But that's far from empty.

اما آن از خالی خیلی فاصله دارد.

There's still plenty of matter bouncing around.

هنوز ماده بسیاری در فضا وجود دارد.

Manufacturers rely on more thorough, sealed vacuums

سازندگان به منظور اهداف مختلفی

به دنبال ساختن خلا‌های دقیق‌تر و آب‌بندی بهتر هستند.

for all sorts of purposes.

That includes vacuum-packed food that stays fresh longer,

مثل غذاهای بسته بندی که رویشان نوشته تازگی طولانی‌تر،

and the vacuums inside early light bulbs that protected filaments from degrading.

و خلاء داخل لامپ‌های قدیمی که از خراب شدن رشته داخل آن جلوگیری می‌کرد.

These vacuums are generally created with some version

این خلاها هم معمولا به همان روش

of what a vacuum cleaner does

جاروبرقی ایجاد می‌شوند

using high-powered pumps that create enough suction

و با استفاده از پمپ‌های قوی، مکش کافی

to remove as many stray atoms as possible.

برای خارج کردن بیشترین اتم سرگردان ممکن ایجاد می‌شود.

But the best of these industrial processes

اما در این فرآیندهای صنعتی

tends to leave hundreds of millions of atoms

در بهترین حالت میلیون‌ها اتم

per cubic centimeter of space.

در هر سانتی‌متر مکعب باقی می‌ماند.

That isn't empty enough for scientists who work on experiments,

این خلاء به اندازه کافی برای دانشمندانی که روی آزمایش‌هایی

like the Large Hadron Collider,

مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون کار می‌کنند کافی نیست،

where particle beams need to circulate at close to the speed of light

جایی که ذرات پرتو باید با سرعتی نزدیک به سرعت نور

for up to ten hours without hitting any stray atoms.

ده ساعت در روز بدون برخورد به اتم‌های سرگردان بچرخند.

So how do they create a vacuum?

پس آنها چطور خلا ایجاد می‌کنند؟

The LHC's pipes are made of materials, like stainless steel,

لوله‌های برخورد دهنده بزرگ هادرو از موادی مانند فوراد ضد زنگ ساخته شده است،

that don't release any of their own molecules

که هیچ کدام از مولکول‌های خود را آزاد نمی‌کند

and are lined with a special coating to absorb stray gases.

و روکش مخصوصی برای جذب گازهای سرگردان روی آنها وجود دارد.

Raising the temperature to 200 degrees Celsius

بالا بردن دما تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد

burns off any moisture,

تمام رطوبت موجود را از بین می‌برد،

and hundreds of vacuum pumps take two weeks to trap enough gas and debris

و دو هفته طول می‌کشد تا صدها پمپ خلا گاز و مواد باقیمانده کافی را

out of the pipes for the collider's incredibly sensitive experiments.

برای آزمایش‌های بسیار حساس جداکننده از لوله‌ها خارج کنند.

Even with all this,

حتی با همه اینها،

the Large Hadron Collider isn't a perfect vacuum.

برخورد دهنده بزرگ هادرون هم خلاء کامل نیست.

In the emptiest places, there are still

در بهترین حالت، هنوز هم

about 100,000 particles per cubic centimeter.

۱۰۰٫۰۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب وجود دارد.

But let's say an experiment like that could somehow get every last atom out.

اما اگر هم آزمایشی مثل آن می‌توانست تمام اتم‌های موجود را بیرون بکشد.

There's still an unfathomably huge amount of radiation all around us

هنوز هم میزان قابل توجهی تابش پیرامون ما هست

that can pass right through the walls.

که می‌تواند راست از دیوارها عبور کند.

Every second, about 50 muons from cosmic rays,

در هر ثانیه، ۵۰ موئون از تابش‌های کیهانی،

10 million neutrinos coming directly from the Big Bang,

۱۰ میلیون نوترینو مستقیماً از انفجار بزرگ،

30 million photons from the cosmic microwave background,

۳۰ میلیون فوتون از امواج ماکروی پس‌زمینه کیهان،

and 300 trillion neutrinos from the Sun pass through your body.

و ۳۰۰ تریلیون نوترینو از تابش خورشید از بدن شما عبور می‌کنند.

It is possible to shield vacuum chambers with substances,

می‌توان محفظه‌های خلاء را با موادی

including water,

مثل آب،

that absorb and reflect this radiation,

که جذب کننده و بازتاب دهنده این تابش‌ها هستند پوشاند،

except for neutrinos.

اما این کار درباره نوترینو فایده‌ای ندارد.

Let's say you've somehow removed all of the atoms

بیایید فرض کنیم به نحوی تمام اتم‌ها را حذف کردیم

and blocked all of the radiation.

و از همه تابش جلوگیری کردیم.

Is the space now totally empty?

آیا اکنون فضا دیگر کاملا خالی است؟

Actually, no.

در واقع، نه.

All space is filled with what physicists call quantum fields.

تمام فضا با چیزی که فیزیکدانان آن را میدان کوانتومی می‌خوانند پر شده است.

What we think of as subatomic particles,

چیزی که به عنوان ذرات زیراتمی می‌شناسیم،

electrons and photons and their relatives,

مثل الکترون، پروتون و هم‌خانواده‌های آنها،

are actually vibrations in a quantum fabric

در واقع ارتعاشاتی در نسج کوانتمی هستند

that extends throughout the universe.

که تمام جهان را فرا گرفته است.

And because of a physical law called the Heisenberg Principle,

و به خاطر قانونی فیزیکی به نام اصل هایزنبرگ،

these fields never stop oscillating,

این میدان‌ها هرگز از نوسان نمی‌ایستند،

even without any particles to set off the ripples.

حتی اگر ذره‌ای برای حرکت امواج وجود نداشته باشد.

They always have some minimum fluctuation called a vacuum fluctuation.

همواره کمی نوسان دارند که به آن نوسان خلاء می‌گویند.

This means they have energy, a huge amount of it.

این یعنی آنها انرژی دارند، به مقدار بسیار زیاد.

Because Einstein's equations tell us that mass and energy are equivalent,

از آنجا که معادلات انیشتین به ما نشان می‌دهند که ماده و انرژی معادل هم هستند،

the quantum fluctuations in every cubic meter of space

نوسان کوانتومی در هر متر مکعب از فضا

have an energy that corresponds to a mass of about four protons.

انرژی معادل جرم حدود چهار پروتون دارد.

In other words, the seemingly empty space inside your vacuum

به بیان دیگر، حتی فضای به نظر خالی درون خلاء شما،

would actually weigh a small amount.

درواقع به میزان اندکی جرم دارد.

Quantum fluctuations have existed since the earliest moments of the universe.

نوسانات کوانتومی از اولین لحظات جهان وجود داشته‌اند.

In the moments after the Big Bang,

در لحظه‌های بعد از انفجار بزرگ،

as the universe expanded,

همین‌طور که جهان منبسط می‌شد،

they were amplified and stretched out to cosmic scales.

تقویت شدند و در ابعاد کیهانی کش آمدند.

Cosmologists believe that these original quantum fluctuations

کیهان شناسان بر این باورند که این نوسانات کوانتومی اصیل

were the seeds of everything we see today:

هسته اولیه هرآنچه امروز می‌بینیم بودند:

galaxies and the entire large scale structure of the universe,

کهکشان‌ها و همه ساختار بسیار بزرگ جهان،

as well as planets and solar systems.

همچنین سیاره‌ها و منظومه شمسی.

They're also the center of one of the greatest scientific mysteries of our time

آنها همچنین مرکز یکی از بزرگترین ناشناخته‌های علمی زمان ما هستند

because according to the current theories,

چون با توجه به نظریه‌های موجود،

the quantum fluctuations in the vacuum of space

نوسانات کوانتومی فضای خلاء

ought to have 120 orders of magnitude more energy than we observe.

باید ۱۲۰ مرتبه بزرگتر از آنچه مشاهده می‌کنیم باشند.

Solving the mystery of that missing energy

حل کردن راز آن انرژی گم شده

may entirely rewrite our understanding of physics and the universe.

ممکن است همه درک ما از فیزیک و جهان را از نو شکل دهد.