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

翻訳: Yoshika Taso 校正: Tomoyuki Suzuki

The universe is bustling with matter and energy.

宇宙では物質とエネルギーが 勢いよく行き交っています

Even in the vast apparent emptiness of intergalactic space,

一見何もないように見える 広大な銀河間の空間でさえ

there's one hydrogen atom per cubic meter.

１立方メートルあたり 水素原子が１個存在しています

That's not the mention a barrage of particles

それ以外にも 大量の粒子や電磁放射が

and electromagnetic radiation

通過しています

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

それらは星や銀河からやってきたもので ブラックホールに向かっているものもあります

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

ビッグバンで発生した 放射線の残骸さえ存在しています

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

では宇宙に完全な真空領域は 存在するのでしょうか？

This isn't just a thought experiment.

それはただの思考実験ではありません

Empty spaces, or vacuums, are incredibly useful.

何もない空間つまり真空は 驚くほど役に立ちます

Inside our homes, most vacuum cleaners work

部屋の掃除に使われている 掃除機の多くは

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

ファンで気圧を下げ 比較的空虚な空間を作り出して

that sucks matter in to fill the void.

そこに物質を吸い込みます

But that's far from empty.

しかし そこは 何もないどころか

There's still plenty of matter bouncing around.

沢山の物質が 動き回っています

Manufacturers rely on more thorough, sealed vacuums

製造業者は あらゆる目的において

for all sorts of purposes.

より徹底的に密閉した 真空に頼っています

That includes vacuum-packed food that stays fresh longer,

例えばレトルト食品は 長期的に鮮度が保たれ

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

初期に作られた発熱電球内の真空は フィラメントの劣化を防ぎました

These vacuums are generally created with some version

これらの真空は 一般的に 掃除機と同じ仕組みで

of what a vacuum cleaner does

内部の強力なポンプが

using high-powered pumps that create enough suction

散らばっている原子を吸い上げて

to remove as many stray atoms as possible.

可能な限り多くを取り除きます

But the best of these industrial processes

しかし 産業用の工程で使われる 最高のものでも

tends to leave hundreds of millions of atoms

１立方センチメートルあたり

per cubic centimeter of space.

何億もの原子が残っています

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

これでは 大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の

like the Large Hadron Collider,

実験に携わる科学者にとっては 不十分です

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

光速に近い速さで動く粒子ビームを 他の原子にぶつかることなく

for up to ten hours without hitting any stray atoms.

最大10時間 周回させなければならないからです

So how do they create a vacuum?

ではどうすれば真空ができるでしょうか？

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

LHCのパイプは ステンレス鋼のような材料でできていて

that don't release any of their own molecules

パイプ自体からは分子を放出せず

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

浮遊ガスを吸収するための 特別なコーティングが敷かれています

Raising the temperature to 200 degrees Celsius

パイプ内を200℃まで加熱して

burns off any moisture,

水分を蒸発させ

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

何百もの真空ポンプが２週間かけて ガスやごみを取り除いてから

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

非常に敏感な実験を行います

Even with all this,

これらをもってしても

the Large Hadron Collider isn't a perfect vacuum.

大型ハドロン衝突型加速器は 完璧な真空を作り出せません

In the emptiest places, there are still

この最も真空に近い状態でさえ

about 100,000 particles per cubic centimeter.

１立方センチメートル内に 約100万個の粒子が残っているのです

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

このような実験で どうにか 原子を全て取り除いたとしましょう

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

それでも測定できない大量の放射線が 私たちの周りに存在し

that can pass right through the walls.

壁を通り抜けているのです

Every second, about 50 muons from cosmic rays,

宇宙線にはビッグバンで発生した ミューオンが毎秒約50個

10 million neutrinos coming directly from the Big Bang,

ニュートリノが毎秒1,000万個

30 million photons from the cosmic microwave background,

宇宙マイクロ波背景放射から 3,000万個の光子 そして

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

太陽から到来した300兆個のニュートリノが 私たちの体を通り抜けています

It is possible to shield vacuum chambers with substances,

真空容器を 水のような物質で密閉し

including water,

that absorb and reflect this radiation,

ニュートリノ以外の このような放射線を吸収したり

except for neutrinos.

反射させたりすることが可能です

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

何とかして全ての原子を取り除き

and blocked all of the radiation.

放射線を防いだとしましょう

Is the space now totally empty?

これで完全な真空になったでしょうか？

Actually, no.

実は違います

All space is filled with what physicists call quantum fields.

全ての空間は 物理学者の言う「量子場」で満たされていて

What we think of as subatomic particles,

私たちが亜原子粒子や電子

electrons and photons and their relatives,

光子とその仲間の粒子と 考えているものは

are actually vibrations in a quantum fabric

実は 宇宙全体に広がる 量子の世界における

that extends throughout the universe.

振動に過ぎないのです

And because of a physical law called the Heisenberg Principle,

また「不確定性原理」と呼ばれる 物理法則によると

these fields never stop oscillating,

粒子の存在による振動がなくても

even without any particles to set off the ripples.

ゆらぎが止まることはありません

They always have some minimum fluctuation called a vacuum fluctuation.

常に「真空ゆらぎ」と呼ばれる 最小限の変動を伴います

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

つまり量子場にはエネルギー しかも大量のエネルギーがあります

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

アインシュタインが導いた式によると 質量とエネルギーは等価で

the quantum fluctuations in every cubic meter of space

量子ゆらぎには １立方メートルの空間あたり

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

陽子４個分の質量に相当する エネルギーが含まれます

In other words, the seemingly empty space inside your vacuum

言い換えれば空間領域が 真空のように見えても

would actually weigh a small amount.

実際はわずかな質量を伴います

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

量子ゆらぎは 宇宙が誕生した その時から存在しました

In the moments after the Big Bang,

ビッグバンから間もなく

as the universe expanded,

宇宙は膨張し

they were amplified and stretched out to cosmic scales.

量子ゆらぎも増幅され 宇宙規模に広がりました

Cosmologists believe that these original quantum fluctuations

宇宙学者は量子ゆらぎは元々

were the seeds of everything we see today:

現在 私たちが目にするもの全ての 根源にあると信じています

galaxies and the entire large scale structure of the universe,

銀河や宇宙のあらゆる大規模構造

as well as planets and solar systems.

そして惑星や太陽系などもそうです

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

また 量子ゆらぎは 現代の科学における 最も大きな謎の１つに位置付けられます

because according to the current theories,

なぜなら 現在の学説によると

the quantum fluctuations in the vacuum of space

真空における量子ゆらぎは

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

我たちが観測する全エネルギーより 120桁も多くあるべきだからです

Solving the mystery of that missing energy

この未発見のエネルギーの謎を 解き明かすことで

may entirely rewrite our understanding of physics and the universe.

物理と宇宙に対する私たちの理解を 完全に書き換えることになるかも知れません