Store opdagelser: Teorien om ingenting – det absolutte tomrum

Billedet af atomer i et vakuum kan stadig findes i elementære fremstillinger af atomteorien, hvor det tomme rum nærmest har karakter af en intethed, dvs. helt uden fysiske egenskaber.

Spørgsmålet om, hvorvidt et tomrum i denne forstand eksisterer eller ej, kan synes at være filosofisk, men det er mere end blot filosofi.

Siden 1600-tallet har det tiltrukket sig interesse blandt naturfilosoffer og fysikere, der endda har ment at kunne besvare det på grundlag af eksperimenter. Omkring 1660 'opdagede de ingenting', nemlig at et rum helt frit for stof kan eksistere i en fysisk forstand.

Det mener man stadigvæk, men opdagelsen af det tomme rum var dog langtfra det endelige svar på spørgsmålet. For hvad er et vakuum egentlig for noget? Er det det samme som ingenting?

Stjernehimlen er et plenum - ikke et tomrum

For Aristoteles (384-322 f.Kr.) må spørgsmålet have forekommet irrelevant, og han afviste ganske tanken om et vakuum – og om atomer. Den fysiske verden fra det inderste af Jorden til det yderste af stjernehimlen var for ham tværtimod et plenum, opfyldt overalt og uden plads for selv det mindste tomrum. Påstanden var en vigtig del af hans naturfilosofi.

Efter Aristoteles' og hans samtidiges opfattelse måtte der være et formål med eller en grund til, at et legeme bevæger sig i en bestemt retning. En sten falder nedad, fordi den er tung, men i et helt tomt rum kan der ikke skelnes mellem retninger, for der er intet 'nedad' og intet 'opad'. Der kan derfor ikke være nogen grund til, at legemet bevæger sig enten opad eller nedad, eller at det bevæger sig overhovedet.

Som et yderligere argument nævnte Aristoteles, at hastigheden af et frit faldende legeme aftager med tætheden af det omgivende medium (en sten falder hurtigere i luft end i vand). Hvis vi forestiller os, at legemet falder i et tomrum, vil dets hastighed være uendelig stor, hvilket er absurd. Altså: Et vakuum er umuligt.

Gud havde skabt et tomrum, hvis han ønskede det

Med den umådelige autoritet, Aristoteles’ filosofi fik i middelalderen og renæssancen, fulgte doktrinen om, at der intet tomrum er i naturen. Teologer og filosoffer var ganske vist enige om, at den almægtige Gud kunne have skabt et tomt rum, hvis han havde ønsket det. Men efter lange diskussioner blev de også enige om, at han havde valgt ikke at gøre det.

Doktrinen om et horror vacui (frygt for det tomme rum), eller at 'naturen afskyr et tomrum', blev en fast bestanddel af det middelalderlige verdensbillede, og det holdt sig i det væsentlige til den naturvidenskabelige revolution i starten af 1600-tallet.

Blandt de vigtigste af de begrebsmæssige innovationer, der opstod med den nye fysik eller naturfilosofi, var afskaffelsen af det aristoteliske plenum til fordel for et vakuum.

Filosoffen René Descartes (1596-1650) var en af de indflydelsesrige lærde, der generelt brød med den aristoteliske fysik, men ideen om et plenum var ikke desto mindre centralt i hans naturfilosofi. Andre lærde var mere radikale, og begrebet om horror vacui mistede gradvist sin legitimitet gennem 1600-tallet. Baggrunden for denne ændring i opfattelsen af naturen skal ikke søges i nye teorier, men derimod i eksperimenter.

Kviksølvsbarometeret opfindes

Naturfilosoffen og matematikeren Galileo Galilei (1564-1642) udfordrede Aristoteles' verdensbillede og den accepterede viden, og hans assistent Evangelista Torricelli (1608-1647) var den første til kunstigt at lave et slags vakuum. Hans barometerforsøg fra 1643, året efter Galileis død, gjorde ham berømt som opfinder af kviksølvbarometret.

I et almindeligt barometer er kviksølv indespærret i et lukket glasrør, hvor højden af det indespærrede kviksølv afhænger af luftens tryk.

Ifølge Torricelli skyldtes kviksølvets næsten konstante højde på 76 centimeter i røret ikke naturens modstand mod det tomme rum og ej heller, at dampe fra kviksølvet holdt søjlen tilbage. Nej, det var atmosfærens tryk, der forårsagede fænomenet, og i det lukkede rum over kviksølvsøjlen var der – ingenting.

Naturen gør intet for at forhindre et vakuum

I Frankrig lavede Blaise Pascal (1623-1662) i årene efter 1646 forbedrede og mere systematiske versioner af Torricellis forsøg. Han brugte blandt andet barometerglas af forskellige udformninger og supplerede kviksølvet med andre væsker, for eksempel vand og vin.

Han viste, at det indesluttede vakuum var vægtløst, eller rettere at dets vægt var umålelig lille i forhold til luftens vægt. 'Naturen gør intet for at forhindre et vakuum', konkluderede han i et skrift om væskers ligevægt (L’Équilibre des liqueurs), der dog først blev udgivet i året efter hans død. 'Derimod er luftmassernes tryk den sande årsag til alle de fænomener, som vi har tilskrevet en imaginær forestilling'.

Det vakuum, som Torricelli og Pascal mente at have udvirket, var nu ikke absolut, men blot en gas ved lavt tryk. Det er derfor en lille overdrivelse at sige, at de opdagede det tomme rum. Til gengæld opdagede de som de første, at den atmosfæriske luft har vægt og udøver et tryk. Dette tryk svarer til enheden 1 atmosfære, eller i den moderne enhed ca. 100.000 Pascal.

Anderledes udtrykt, så hviler der på hver kvadratmeter af jordoverfladen en vægt på hele 10 ton. Forsøgene resulterede i et helt nyt billede af atmosfæren og gav et nyt grundlag for meteorologien. Først nu forstod man, at vi befinder os i et enormt lufthav, hvis tæthed og tryk aftager med højden over jordoverfladen.

Eksperiment viser kræfterne bag lufttryk

I kølvandet på Torricellis og Pascals eksperimenter fulgte de første luft- og vakuumpumper, der kunne producere et undertryk. Otto von Guericke (1602-1684), naturfilosof og borgmester i den tyske by Magdeburg, havde den første pumpe klar i 1650, og han benyttede den til et af videnskabshistoriens mest spektakulære eksperimenter.

I 1654 pumpede han luften ud af to hule kobberhalvkugler, der var presset sammen, så kun luftens tryk holdt dem samlet.

Han spændte nu et spand af 15 stærke heste for den ene halvkugle og 15 andre heste for den anden, hvorefter de af alle kræfter trak i hver sin retning. Alligevel holdt kuglen sammen! Med sit dramatiske 'filosofiske eksperiment' havde borgmesteren i Magdeburg vist luftens enorme tryk i forhold til vakuum.

Boyle formulerer en af de tidligste naturlove

Den prominente engelske naturfilosof Robert Boyle (1627-1691) havde ikke Guerickes talent for showmanship, men han arbejdede til gengæld mere systematisk og videnskabeligt. Med en forbedret luftpumpe, der var konstrueret af hans assistent Robert Hooke (1635-1703), undersøgte han omkring 1660 luftens egenskaber ved forskelligt tryk og påviste da, at luften opførte sig som en fjeder eller en 'elastisk væske'.

Ud fra sine iagttagelser formulerede han en af vores tidligste naturlove, også i dag kendt som Boyles lov:

Ved samme temperatur er en luftmasses tryk p og rumfang V omvendt proportionale, dvs. pV = konstant. I sine eksperimenter med udpumpede glasbeholdere viste han, at fugle og mus ikke kunne overleve, og at lyden ikke kunne forplante sig gennem det tomme rum. Lys og magnetisme blev derimod ikke påvirket.

Boyle viste desuden gyldigheden af Galileis faldlov, at uden luftmodstand falder alle legemer med samme hastighed.

Vakuum som metafysisk begreb

Eksperimenter som Guerickes og Boyles blev i samtiden set som et overbevisende argument for det tomme rums eksistens. Boyle var dog klar over, at det kunstigt frembragte tomrum blot var luft ved meget lavt tryk og ikke et absolut vakuum. For ham var et vakuum et metafysisk begreb, der ikke kunne bevises. Og eftersom det ikke havde nogen videnskabelig betydning, mente han, at man trygt kunne overlade det til filosofferne.

Selv hvis al luften var fjernet af en perfekt virkende luftpumpe, kunne man altid forestille sig, at der var æteriske substanser i det lufttomme rum. Men den slags spekulationer afviste Boyle som ufrugtbare. Hans vakuum var et rum, hvorfra al luft var fjernet, sådan at det ikke længere indeholdt materielle partikler.

Boyles vakuum var en påviselig fysisk realitet, men var det også ingenting? Ifølge senere fysikere var svaret et rungende nej. Gennem 1800-tallet blev antagelsen om en allestedsnærværende 'æter' mere og mere populær. For at forklare optiske og elektromagnetiske fænomener fandt fysikerne det påkrævet, at dette hypotetiske medium måtte findes overalt, også i det såkaldte tomme rum.

Ved slutningen af århundredet var de færreste i tvivl om verdensæterens fysiske eksistens. At forestille sig et rum uden æteren ville være som at forestille sig en skov uden træer. Da selv det tomme rum var fyldt med og karakteriseret ved æteren, og denne var fysisk virkelig, måtte også det absolutte vakuum være fysisk virkeligt.

Tomrummet er ikke tomt

Der var mange forskellige teorier for æteren, og især engelske fysikere opfattede den som et verdensomspændende lager for uudtømmelig energi.

Oliver Lodge (1851-1940) var blandt de fysikere, der forsøgte at beregne, hvor meget energi der var i æteren. Han nåede frem til det forbløffende resultat, at der i hver cm³ af æteren – eller i det tomme rum – var lagret en energi på ikke mindre end 10²⁶ joule (til sammenligning er Danmarks energiforbrug af størrelsesordenen 10¹⁸ joule om året). Eller som Lodge selv udtrykte det i en artikel fra 1907 i Philosophical Magazine: '3 × 10¹⁷ kilowatt-timer, eller den totale energi som produceres af et kraftværk med en kapacitet på en million kilowatt og som konstant arbejder i 30 millioner år'. Altså en ubegribelig stor mængde.

Det tomme rum anno 1900 var således langtfra tomt, i det mindste ikke ifølge æter-teorien. I dag er situationen den samme, men af ganske andre grunde. Den moderne fysiks vakuum er fyldt med et frådende hav af kvanteprocesser og en mystisk 'mørk energi', der ikke engang i princippet kan fjernes fra rummet.

Reelt ved vi ikke, hvad denne mørke energi er, men vi formoder, at den fylder ikke mindre end cirka 70 procent af universet og får universet til at udvide sig med større og større fart. Aristoteles havde altså alligevel fat i det rigtige: Det tomme rum er så absolut ikke tomt.