Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι οι κινήσεις των υλικών σωμάτων διακρίνονταν σε κινήσεις φυσικές, όπως π.χ. η πτώση ενός σώματος προς την Γη, κινήσεις οι οποίες γίνονται σε ευθείες γραμμές ή καμπύλες, και σε κινήσεις βίαιες για τις οποίες χρειάζονταν ένα κινούν αίτιο, οι οποίες προκαλούνται από παράγοντες όπως τα έμβια όντα. 'Ενα παράδειγμα είναι η εκτόξευση ενός βέλους που οφείλεται στην ανθρώπινη δράση. Στην αρχή, κατά την εκτόξευση του βέλους, εκείνος που το υποχρεώνει να κινηθεί είναι φυσικά ο άνθρωπος. Αλλά τι συμβαίνει στην συνέχεια; Το βέλος συνεχίζει να κινείται γιατί ο αέρας από πίσω το ωθεί συνέχεια προς τα εμπρός, όπως ακριβώς ο άνεμος σπρώχνει και κινεί τα σύννεφα στον ουρανό. 'Αρα το συμπέρασμα ήταν ότι η ύπαρξη του κενού είναι αδύνατη. 'Ελεγε χαρακτηριστικά ο Αριστοτέλης ότι: "η φύση αποστρέφεται το κενό". Θεωρούσε ότι το κενό ήταν γεμάτο από ύλη, γιατί διαφορετικά δεν θα μπορούσε να διαδίδεται η θερμότητα και το φως. Αυτή η φιλοσοφία επηρέασε σε βάθος τη δυτική σκέψη μέχρι τον 17ο αιώνα.

Το 1643, λίγο μετά τον θάνατο του Γαλιλαίου, ο μαθητής του Torricelli, πραγματοποίησε ένα ιστορικό πείραμα, στο οποίο φαίνεται η ύπαρξη του κενού. Γεμίζει έναν γυάλινο σωλήνα με το ένα του άκρο κλειστό με υδράργυρο και τον αναστρέφει με το ανοικτό του άκρο μέσα σ' ένα δοχείο επίσης γεμάτο με υδράργυρο. Ο υδράργυρος μέσα στον σωλήνα κατεβαίνει και σταθεροποιείται σε κάποιο ύψος, ενώ στην κορυφή του σωλήνα δημιουργείται ένας χώρος κενός από ύλη. 'Ετσι ο Torricell πραγματοποιεί το κενό κατασκευάζοντας το πρώτο βαρόμετρο με το οποίο μέτρησε την ατμοσφαιρική πίεση.

Στην συνέχεια ο Pascal, μετρώντας κι αυτός την ατμοσφαιρική πίεση με το βαρόμετρο δηλώνει ότι: "η φύση δεν αποστρέφεται το κενό. Τα φαινόμενα που αποδόθηκαν σ' αυτήν την αποστροφή, οφείλονται στην βαρύτητα και την πίεση του αέρα".

Στην συνέχεια ο Otto Von Guericke, στο Μαγδεμβούργο ανακαλύπτει μια αεραντλία και πετυχαίνει το κενό σε μεγάλα δοχεία. Συντελείται το περίφημο πείραμά του, των ημισφαιρίων του Μαγδεμβούργου, που χρειάστηκαν 16 άλογα από κάθε πλευρά του κενού σφαιρικού δοχείου, για να μπορέσουν να τα διαχωρίσουν. Βέβαια, αυτό το πείραμα έδειξε ότι το κενό ήταν μια πανίσχυρη δύναμη που μπορούσε να αξιοποιηθεί για χρήσιμους σκοπούς.

'Εκτοτε η ιδέα του κενού, δηλαδή του χώρου που δεν περιέχει ύλη, απασχολεί τον κόσμο. Το σύμπαν είναι ένα μεγάλο κενό, στο οποίο εξαίρεση είναι η ύλη. Το άτομο στον μικρόκοσμο, είναι κι αυτό σχεδόν κενό, αν θεωρήσουμε ότι η απόσταση μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων είναι τεράστια.

Κατά τον 19ο αιώνα, όμως, αποδεικνύεται ότι στο κενό μπορεί να διαδοθεί η ακτινοβολία.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία το κενό, ακόμη και στην θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (-273⁰ Κελσίου ), περιέχει ενέργεια, που ονομάζεται Ενέργεια του Μηδενικού Σημείου. Στο κενό υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία, και οι διακυμάνσεις τους δημιουργούν σωματίδια. Τις διακυμάνσεις αυτές του κενού μπορούμε να τις φανταστούμε, σαν μια ταραγμένη επιφάνεια η οποία καλύπτεται από μικρούς κυματισμούς. Είναι φανερό ότι το κβαντικό κενό δεν έχει καμιά σχέση με το κενό της κλασικής φυσικής, δηλαδή τον άδειο χώρο από ύλη. Η κβαντική έννοια του κενού, αντιστοιχεί στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός συστήματος και χρησιμοποιείται σαν στάθμη αναφοράς για την μέτρηση της ενέργειας των σωματιδίων και των πεδίων τα οποία υπάρχουν στην φύση.

Τα "εν δυνάμει" σωματίδια, υπακούοντας στο θεώρημα διατήρησης της ορμής, παράγονται κατά ζεύγη. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Χάιζενμπεργκ, η αβεβαιότητα στην μέτρηση της ενέργειας ενός σωματιδίου αυξάνεται, όσο μειώνεται η αβεβαιότητα στην μέτρηση του χρόνου. Μαθηματικά αυτή η σχέση γράφεται : ΔΕ.Δt >_ h (το _ κανονικά είναι κάτω από το >), όπου ΔΕ η μεταβολή της ενέργειας, Δt η μεταβολή του χρόνου και h είναι η σταθερά του Planck. 'Αρα για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα η αβεβαιότητα στην μέτρηση της ενέργειας είναι πάρα πολύ μεγάλη. Επομένως, η ενέργεια μπορεί να πάρει πολύ μεγάλες τιμές αν τα χρονικά διαστήματα της μέτρησής της είναι απείρως μικρά. Αυτό μας δείχνει ότι όσο πιο ενεργειακά είναι τα σωματίδια που γεννιούνται από το κενό, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος ζωής τους. Για παράδειγμα ένα ζευγάρι ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου (θετικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο) υλοποιείται για χρονικό διάστημα 10 - 21 δευτερόλεπτα.

Μέσα σ' αυτήν την θάλασσα της αδιάκοπης δραστηριότητας σχηματίζονται και εξαφανίζονται υποατομικά σωματίδια. 'Οχι μόνο ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, αλλά πρωτόνια και αντιπρωτόνια, νετρόνια και αντινετρόνια, μεσόνια και αντιμεσόνια κ.λπ.. 'Ολα τα σωματίδια της φύσης παίρνουν μέρος σ' αυτό το κοσμικό ανακάτωμα. Από την κβαντική σκοπιά ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι απλά ένα ηλεκτρόνιο. Το περιβάλλουν συνεχώς μεταβαλλόμενες κατανομές ενέργειας που πιστώνουν τα ξαφνικά εμφανιζόμενα φωτόνια, πρωτόνια, μεσόνια, ακόμη και άλλα ηλεκτρόνια. 'Ολα τα είδη του υποατομικού κόσμου συνδέονται με ένα ηλεκτρόνιο σαν άπιαστος, πρόσκαιρος μανδύας, ένα σύννεφο από μέλισσες - φαντάσματα που στριφογυρίζουν γύρω από την κεντρική κυψέλη. 'Οταν δύο ηλεκτρόνια πλησιάζουν τα νέφη που τα περιβάλλουν μπερδεύονται και αλληλεπιδρούν. Τα νέφη είναι η κβαντική έκφραση των πραγμάτων που τα ονομάζαμε δυναμικά πεδία. Το ηλεκτρόνιο ποτέ δεν απομονώνεται από την συνοδεία του, τα σωματίδια - φαντάσματα. 'Αρα είναι ολόκληρο το συγκρότημα το οποίο περιλαμβάνει και τα σωματίδια - φαντάσματα που δημιουργούν δυνάμεις. 'Ετσι, το κάθε σωματίδιο μπορούμε να πούμε ότι είναι κατασκευασμένο από κάποιο άλλο σωματίδιο σ' έναν ατέλειωτο "Παράξενο Βρόχο". Κανένα σωματίδιο δεν είναι περισσότερο στοιχειώδες από κάποιο άλλο.

Κατά τον John Wheller, το κενό είναι χώρος πολύ βίαιων φυσικών εκδηλώσεων. Αν θεωρήσουμε π.χ. ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του, το ηλεκτρόνιο περιβάλλεται από ένα νέφος σωματιδίων που γεννιούνται από τις διακυμάνσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που υπάρχουν ανάμεσα στο πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο. Τα "εν δυνάμει" σωματίδια, τα οποία διακρίνονται έτσι από τα πραγματικά, επιστρέφουν γρήγορα στην ανυπαρξία από την οποία προήλθαν. Κατά την διάρκεια όμως της σύντομης ύπαρξής τους, είναι εξ ίσου πραγματικά με τα άλλα σωματίδια και η ενέργεια και η ταχύτητά τους ικανοποιούν τις ανισότητες του Χάιζενμπεργκ.

Ο πρώτος που πειραματίστηκε με τις κβαντικές δραστηριότητες του κενού, είναι ο Ολλανδός φυσικός Hendrik Casimir γύρω στο 1950. Παρ' όλο που ένα μόνο ζευγάρι "εν δυνάμει" σωματιδίων δεν είναι δυνατό να παρατηρηθεί, το αποτέλεσμα ενός πλήθους σωματιδίων γίνεται αντιληπτό.

Ο Casimir χρησιμοποίησε μια διάταξη ως εξής : σ' ένα κλειστό κενό χώρο, τοποθέτησε δύο μεταλλικές πλάκες και έψυξε το σύστημα. Πριν φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν, η θερμική ακτινοβολία τείνει να προσεγγίσει μεταξύ τους τις πλάκες. Αλλά και στο σημείο μηδέν, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κινεί την μια πλάκα προς την άλλη. 'Ετσι αποδεικνύεται ότι η ενέργεια του κενού προκαλεί πίεση. Η υπερπίεση αυτή μετρήθηκε το 1958, από τον Ολλανδό φυσικό M. Spaarnay.

'Ενα άλλο παράδειγμα που δείχνει την ενέργεια του κενού, είναι το φαινόμενο της μετατόπισης LAMP. 'Οπως αναφέραμε πιο πάνω, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που συνδέει ένα ηλεκτρόνιο με τον πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου, μπορεί να δημιουργήσει, από τα "εν δυνάμει" σωματίδια που υπάρχουν σ' αυτό, ένα ζευγάρι σωματιδίων ( π.χ. ενός ηλεκτρονίου και ενός ποζιτρονίου ). Η παραγωγή και η εξουδετέρωση των εν δυνάμει σωματιδίων, δημιουργεί ένα φαινόμενο το οποίο οι φυσικοί ονομάζουν πόλωση του κενού. Η πόλωση αυτή προκαλεί μια ελαφρά τροποποίηση της τροχιάς του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Ο W. Lamp μέτρησε με καταπληκτική ακρίβεια την μικρή μετατόπιση της τροχιάς του ηλεκτρονίου, στο άτομο του υδρογόνου και γι' αυτό πήρε το βραβείο Νόμπελ.

Το κβαντικό κενό πρωταγωνιστεί και στις σύγχρονες κοσμολογικές θεωρίες και ο ρόλος του στις πρώτες στιγμές δημιουργίας του σύμπαντος υπήρξε καθοριστικός. Ειδικότερα, ο ρόλος του κενού είναι ιδιαίτερα καθοριστικός στην θεωρία του Πληθωριστικού Σύμπαντος. Σύμφωνα με την θεωρία αυτή που προτάθηκε από τον A. Guth του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης, το 1981, το ορατό σύμπαν αποτελεί ελάχιστο τμήμα μιας τεράστιας φυσαλίδας. 'Ολα ξεκίνησαν από την δημιουργία φυσαλίδων, που στην διάρκεια ενός πολύ μικρού χρονικού διαστήματος αναπτύσσονται πληθωριστικά, με τρομακτική ταχύτητα. Από ένα σημείο και μετά αρχίζει η βραδύτερη ανάπτυξη του Hubble.

Σύμφωνα με την θεωρία του Πληθωρισμού, στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος κάθε φορά που η θερμοκρασία έπεφτε κάτω από κάποια οριακή τιμή, το κενό υφίστατο μεταβολή φάσης και περνούσε σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Η μεταβολή φάσης δεν ήταν ακαριαία και έτσι η διαφορά ενέργειας, μπορεί να χαρακτηριστεί σαν "ψευδοκενό". Η πίεση που αντιστοιχεί στην ενέργεια του κενού είναι αρνητική και έτσι οι φυσαλίδες του "ψευδοκενού" ωθούνται στην υπερανάπτυξη, διαστελλόμενες με εκθετικό τρόπο. Επομένως, στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος, κυριαρχεί η διαστολή που οφείλεται στην διαφορά ενέργειας μεταξύ του ψευδοκενού και του πραγματικού κενού.

Εξετάζεται, πλέον, η δυνατότητα της δημιουργίας του σύμπαντος από τις διακυμάνσεις του κβαντικού κενού. Φαίνεται, βέβαια, απίστευτο ολόκληρο το σύμπαν να δημιουργήθηκε από το "τίποτε". Το σύμπαν έχει θετική ενέργεια, που οφείλεται στην ύλη που περιέχει και αρνητική δυναμική ενέργεια που οφείλεται στο βαρυτικό πεδίο. Παρατηρήθηκε ότι το άθροισμα των δύο αυτών ενεργειών είναι σχεδόν μηδέν. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, είναι δυνατόν ένας σχηματισμός μηδενικής ενέργειας, να έχει απεριόριστη διάρκεια ζωής. Αν, λοιπόν, πράγματι η συνολική ενέργεια του σύμπαντος είναι μηδέν, η σταθερότητά του αιτιολογείται θεωρητικά.

Αξιοποίηση της ενέργειας του κενού

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι στην θεμελιώδη του κατάσταση το κβαντικό κενό αποτελεί μια τεράστια δεξαμενή ενέργειας, την οποία δεν εκμεταλλευόμαστε. Μάλιστα, η πυκνότητα αυτής της ενέργειας του κενού υπολογίστηκε από τον Feynman ότι είναι περίπου ίση με την πυκνότητα της πυρηνικής ενέργειας, πιθανώς δε μεγαλύτερη.

Επομένως, οι επιστήμονες προβληματίζονται στο κατά πόσον αυτή η ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί. Γίνονται, λοιπόν, πειράματα στα εργαστήρια για την χρήση της ενέργειας του κβαντικού κενού. Μελετώνται διάφορες φυσικές διεργασίες, που οφείλονται στις διακυμάνσεις του κβαντικού κενού. 'Ενα τέτοιο φαινόμενο είναι της εκπομπής έντονης φωτεινής ακτινοβολίας, όταν μια μικροσκοπική φυσαλίδα βομβαρδιστεί με ηχητικά κύματα και καταρρεύσει με υπερηχητική ταχύτητα.

'Ενας άλλος τομέας εκμετάλλευσης της ενέργειας του κβαντικού κενού είναι στην πραγματοποίηση των διαστημικών ταξιδιών. Υπάρχουν ενδείξεις ότι τα φαινόμενα της βαρύτητας και της αδράνειας οφείλονται στις διακυμάνσεις του κβαντικού κενού. Σε μελέτη, που δημοσιεύθηκε από τον Ρώσο φυσικό Andrei Sakharov, φαίνεται ότι το σύνολο των φαινομένων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν μπορούν να θεωρηθούν ως αποτελέσματα των αλλαγών στις διακυμάνσεις της ενέργειας του κβαντικού κενού λόγω της παρουσίας της ύλης. Μια λύση, που είναι σύμφωνη με τα παραπάνω, δημοσιεύτηκε στο βιβλίο Classical and Quantum Gravity (Κλασική και Κβαντική Βαρύτητα). Αυτή η λύση δόθηκε από τον Alcubierre και περιείχε την δημιουργία μιας τοπικής στρέβλωσης του χωρόχρονου, έτσι ώστε ο χρόνος να διαστέλλεται πίσω από το διαστημόπλοιο και να συστέλλεται μπροστά του. Με αυτό τον τρόπο παράγεται μια κίνηση σαν την κίνηση του θαλάσσιου σέρφινγκ ταχύτερη όμως από την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με τους παρατηρητές που βρίσκονται έξω από την περιοχή της στρέβλωσης. Στην πραγματικότητα, το διαστημόπλοιο ωθείται έξω από τον πλανήτη μας και έλκεται προς ένα άλλο σημείο μακριά από την Γη, από την κατασκευασμένη τοπική στρέβλωση του χωρόχρονου. Τότε, το διαστημόπλοιο δεν θα χρειάζεται καύσιμα, γιατί θα παίρνει την απαιτούμενη ενέργεια για την κίνησή του από τον περιβάλλοντα χώρο. Μπορούμε, επομένως, να μεταβάλλουμε τις ιδιότητες του κενού έτσι ώστε να μας γίνει χρήσιμο στα διαστημικά ταξίδια. Βέβαια, σήμερα, η τεχνολογία μας δεν είναι έτοιμη για ένα τέτοιο εγχείρημα. Πάντως, τα φαινόμενα δείχνουν ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ενέργεια του κβαντικού κενού. Γι' αυτό η NASA έχει σαν σκοπό να διερευνήσει όλες τις επαναστατικές ιδέες στην διαστημική μεταφορά και έχει συμπεριλάβει και την μελέτη των διακυμάνσεων του κβαντικού κενού.

"Κάποια μέρα σίγουρα θ' ανοίξει μια πόρτα και θα φανερωθεί ο αστραφτερός κεντρικός μηχανισμός του κόσμου σε όλη την ομορφιά και την απλότητά του." Wheeler

Κενό και συντηρητικά πεδία

Συντηρητικά πεδία λέγονται εκείνα τα πεδία στα οποία το έργο, κατά την μετακίνηση ενός κατάλληλου υποθέματος από ένα σημείο σε ένα άλλο, δεν εξαρτάται από την μορφή της τροχιάς στην οποία γίνεται η μετακίνηση. Εξαρτάται μόνο από την αρχική και την τελική θέση του υποθέματος. Το βαρυτικό πεδίο είναι ένα συντηρητικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι το ποσό της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας που είναι αποθηκευμένο σε ένα υλικό σώμα, που βρίσκεται στην κορυφή ενός λόφου, εξαρτάται από το πόσο ψηλός είναι ο λόφος, και όχι από τον τρόπο που βρέθηκε εκεί το σώμα. Αυτήν την δυναμική ενέργεια μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε. 'Ενα παράδειγμα είναι μία υδατόπτωση, νερό που πέφτει από ένα υψηλότερο σημείο σε ένα χαμηλότερο. Η δυναμική ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε κινητική και μπορεί να θέσει σε λειτουργία ένα υδροστρόβιλο. Στα συντηρητικά πεδία ισχύει η αρχή της διατήρησης της ενέργειας.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι κι αυτό συντηρητικό πεδίο με τους δικούς του κανόνες.

Η ενέργεια του κενού μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας.

Μπορούμε, λοιπόν, να φτιάξουμε μια διάταξη παρόμοια της υδατόπτωσης, η οποία να έχει μια περιοχή υψηλής πυκνότητας ενέργειας κενού και μια περιοχή χαμηλής πυκνότητας ενέργειας κενού; Τότε, μπορούμε να παράγουμε ενέργεια από αυτήν την διαφορά. Μήπως, όμως, χρειαζόμαστε επί πλέον θερμοδυναμικές μεταβλητές; Η αρχή διατήρησης της ενέργειας και ο Δεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος μας λένε ότι δεν μπορούμε να παράγουμε ενέργεια από το τίποτε. 'Ενας τρόπος θα ήταν να "πληρώσουμε" κάτι για να πάρουμε κάτι περισσότερο και καλύτερο. Χρειάζεται έρευνα για διαφορετικούς τύπους διατάξεων και μηχανών που βασίζονται στις περίεργες ιδιότητες της ενέργειας του κβαντικού κενού. Θα είναι ένα μεγάλο επίτευγμα, αν μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε την "αστείρευτη" πηγή ενέργειας του κενού προς όφελος της ανθρωπότητας.