The Remarkable Emptiness of Existence Tánh Không Kỳ Diệu Của Hiện Hữu

The Remarkable Emptiness of Existence Tánh Không Kỳ Diệu Của Hiện Hữu

Early scientists didn’t know it, but we do now: The void in the universe is alive. Các nhà khoa học trước đây không biết về điều này, nhưng nay chúng ta được biết chơn không trong vũ trụ thật sinh động. Tác giả: Paul M. Sutter* Dịch Việt: NT January 4, 2023 In 1654 a German scientist and politician named Otto von Guericke was supposed to be busy being the mayor of Magdeburg. But instead he was putting on a demonstration for lords of the Holy Roman Empire. With his newfangled invention, a vacuum pump, he sucked the air out of a copper sphere constructed of two hemispheres. He then had two teams of horses, 15 in each, attempt to pull the hemispheres apart. To the astonishment of the royal onlookers, the horses couldn’t separate the hemispheres because of the overwhelming pressure of the atmosphere around them. Vào năm 1654 nhà khoa học và chính khách Đức Otto von Guericke lẽ ra phải bận bịu với nhiệm vụ thị trưởng thành phố Magdeburg. Nhưng thay vì thế, ông lại đang lo chuyện trình bày trước các nhà lãnh đạo Thánh Đế La Mã. Với chiếc máy bơm chơn không, một phát kiến mới lạ của mình, ông hút không khí ra khỏi một quả cầu bằng đồng làm từ hai bán cầu. Rồi ông cho hai bầy ngựa, mỗi bầy 15 con, ra sức kéo để tách rời hai bán cầu ra. Trước sự kinh ngạc của các ông hoàng đang mục kích, bầy ngựa không tài nào tách hai bán cầu ra được vì áp suất không khí bao quanh hai bán cầu quá lớn. [https://en.wikipedia.org/wiki/Holy_Roman_Empire. The Holy Roman Empire/Thánh Đế La Mã là một đế chế (một thực thể chính trị) gồm các nước trong khu vực tây, trung và nam Âu châu, phát triển vào đầu thời Trung Cổ/Dark Ages (cuối thế kỷ thứ 5, đầu thế kỷ thứ 6 kéo dài đến thế kỷ thứ 10), và giải thể vào năm 1806 trong thời kỳ chiến tranh Napoleon (1803-1815). ] Von Guericke became obsessed by the idea of a vacuum after learning about the recent and radical idea of a heliocentric universe: a cosmos with the sun at the center and the planets whipping around it. But for this idea to work, the space between the planets had to be filled with nothing. Otherwise friction would slow the planets down. Von Guericke bị ý tưởng về chơn không ám ảnh sau khi ông học được tư tưởng cấp tiến mới ra đời cho mặt trời là trung tâm vũ trụ và các hành tinh vận hành quanh nó. Nhưng muốn biến tư tưởng này thành hiện thực thì không gian giữa các hành tinh phải không chứa vật thể nào cả. Nếu không, sự ma sát sẽ làm các hành tinh vận hành chậm lại.

The vacuum is singing to us, a harmony underlying reality itself. Chơn không đang hát cho chúng ta nghe, một cung điệu hài hòa tiềm tàng chính nơi thực tại.

Scientists, philosophers, and theologians across the globe had debated the existence of the vacuum for millennia, and here was von Guericke and a bunch of horses showing that it was real. But the idea of the vacuum remained uncomfortable, and only begrudgingly acknowledged. We might be able to artificially create a vacuum with enough cleverness here on Earth, but nature abhorred the idea. Scientists produced a compromise: The space of space was filled with a fifth element, an aether, a substance that did not have much in the way of manifest properties, but it most definitely wasn’t nothing. Trải qua hàng thiên niên kỷ, các khoa học gia, triết gia, và nhà thần học khắp thế giới đã từng tranh luận về sự hiện hữu của chơn không, thì giờ đây von Guericke và bầy ngựa lại cho thấy chơn không quả có thực. Nhưng ý tưởng về chơn không vẫn có gì đó không ổn, và người ta chỉ chấp nhận có nó một cách miễn cưỡng. Với đủ thông minh chúng ta có thể tự tạo ra một chơn không ngay trên trái đất, nhưng thiên nhiên lại kinh sợ ý tưởng ấy. Các nhà khoa học bèn nghĩ ra cách hoà giải: khoảng không của không gian chứa đầy nguyên tố thứ năm, khí aether, một chất không có các đặc tính hiện bày , nhưng chắc chắn không phải không có. But as the quantum and cosmological revolutions of the 20th century arrived, scientists never found this aether and continued to turn up empty handed. Nhưng đến thế kỷ 20 khi có cuộc cách mạng về lượng tử và vũ trụ học, các khoa học gia vẫn không hề tìm thấy chất aether, và việc tiếp tục tìm kiếm nó cũng chẳng đi đến đâu. The more we looked, through increasingly powerful telescopes and microscopes, the more we discovered nothing. In the 1920s astronomer Edwin Hubble discovered that the Andromeda nebula was actually the Andromeda galaxy, an island home of billions of stars sitting a staggering 2.5 million light-years away. As far as we could tell, all those lonely light-years were filled with not much at all, just the occasional lost hydrogen atom or wandering photon. Compared to the relatively small size of galaxies themselves (our own Milky Way stretches across for a mere 100,000 light-years), the universe seemed dominated by absence. Càng quan sát tìm kiếm qua các viễn vọng kính và kính hiển vi ngày một tối tân, tinh xảo, chúng ta càng không tìm thấy gì cả. Vào thập niên 1920 nhà thiên văn Edwin Hubble khám phá ra rằng vòm sao Andromeda thực ra là thiên hà Andromeda, một vùng biệt lập (như hòn đảo) gồm hàng tỷ vì sao cách xa trái đất 2 triệu rưỡi năm ánh sáng. Có thể nói giữa khoảng đơn độc của ngần ấy năm ánh sáng gần như không có gì cả, họa chăng thỉnh thoảng có một nguyên tử hydrogen đi lạc lối hay một proton lang thang bất định. Nếu so sánh với kích thước tương đối nhỏ của các thiên hà (dải Ngân hà của chúng ta chỉ trải dài 100.000 năm ánh sáng), thì vũ trụ dường như chỉ có sự vắng mặt ngự trị mà thôi. At subatomic scales, scientists were also discovering atoms to be surprisingly empty places. If you were to rescale a hydrogen atom so that its nucleus was the size of a basketball, the nearest electron would sit around two miles away. With not so much as a lonely subatomic tumbleweed in between. Ở cấp độ nhỏ hơn nguyên tử, các nhà khoa học cũng khám phá thấy chúng trống không một cách đáng ngạc nhiên. Nếu bạn thay đổi kích thước nguyên tử hydrogen để nhân của nó to bằng quả bóng chuyền, thì âm điện tử gần nhất sẽ nằm cách xa hạt nhân khoảng 2 dặm. Khoảng giữa chẳng có gì khác hơn là một vùng vi tế (nhỏ hơn cả nguyên tử) trống không cô quạnh. WILD HORSES COULDN’T DRAG THEM APART: Inventor Otto von Guericke’s original vacuum pump and copper hemispheres are on display in the Deutsches Museum in Munich, Germany. When von Guericke sealed the hemispheres in a vacuum, they couldn’t be separated by teams of horses. Image by Wikimedia Commons. Các chú ngựa hoang không thể kéo tách rời hai bán cầu: Ống bơm hút không khí và hai bán cầu của nhà phát minh Otto von Guericke hiện được trưng bày tại Viện Bảo tàng Đức, thành phố Munich, Đức quốc. Khi von Guericke hàn kín hai bán cầu chứa vùng chơn không, bầy ngựa không thể tách rời hai bán cầu ra được.

Nothing. Absolutely nothing. Continued experiments and observations only served to confirm that at scales both large and small, we appeared to live in an empty world. Không có gì. Hoàn toàn không có gì cả. Các thí nghiệm và quan sát được tiếp tục thực hiện nhưng chỉ khẳng định rằng ở cả cấp độ lớn (vĩ mô) lẫn nhỏ (vi mô), chúng ta dường như sống trong một thế giới trống không. And then that nothingness cracked open. Within the emptiness that dominates the volume of an atom and the volume of the universe, physicists found something. Far from the sedate aether of yore, this something is strong enough to be tearing our universe apart. The void, it turns out, is alive. Và rồi cái không ấy lại vỡ tung ra. Bên trong cái không vốn ngự trị cả thể tích hạt nguyên tử và cả thể tích vũ trụ, các nhà vật lý lại tìm ra có một cái gì đó. Khác hẳn chất aether tẻ nhạt người xưa nghĩ ra, cái gì ấy lại mạnh mẽ đủ để xé toang vũ trụ. Hóa ra chơn không quả là sống động. In December 2022, an international team of astronomers released the results of their latest survey of galaxies, and their work has confirmed that the vacuum of spacetime is wreaking havoc across the cosmos. They found that matter makes up only a minority contribution to the energy budget of the universe. Instead, most of the energy within the cosmos is contained in the vacuum, and that energy is dominating the future evolution of the universe. Tháng 12 năm 2022 một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế công bố kết quả thăm dò các thiên hà mới đây nhất của họ, và công trình này khẳng định rằng chơn không bốn chiều hiện đang hoành hành khắp vũ trụ. Họ khám phá thấy vật chất chỉ góp một phần nhỏ vào quỹ năng lượng của vũ trụ. Thay vào đó, phần lớn năng lượng trong vũ trụ nằm trong chơn không, và chính năng lượng ấy điều động sự tiến hóa của vũ trụ trong tương lai. [In physics, spacetime is a mathematical model that combines the three dimensions of space and one dimension of time into a single four-dimensional manifold. Spacetime diagrams can be used to visualize relativistic effects, such as why different observers perceive differently where and when events occur. Until the 20th century, it was assumed that the three-dimensional geometry of the universe (its spatial expression in terms of coordinates, distances, and directions) was independent of one-dimensional time. The physicist Albert Einstein helped develop the idea of spacetime as part of his theory of relativity. Trong vật lý, không-thời gian bốn chiều/spacetime là một mô hình toán học kết hợp ba chiều không gian và một chiều thời gian thành một điểm tập hợp/collection duy nhất gồm có bốn chiều. Các mô hình spacetimecó thể được dùng để hình dung các hiệu ứng tương đối, chẳng hạn việc những người quan sát khác nhau nhận thức khác nhau về nơi chốn và khi nào các sự kiện xảy ra. Mãi đến thế kỷ 20 người ta vẫn còn giả định rằng vũ trụ theo kiểu hình học ba chiều (diễn tả bằng tọa độ, khoảng cách và phương hướng) độc lập với thời gian một chiều. Nhà vật lý Albert Einstein giúp phát triển ý tưởng về điểm không-thời gian bốn chiều/spacetime, trong thuyết tương đối của ông. https://en.wikipedia.org/wiki/Spacetime.] Their work is the latest in a string of discoveries stretching back over two decades. In the late 1990s, two independent teams of astronomers discovered that the expansion of the universe is accelerating, meaning that our universe grows larger and larger faster and faster every day. The exact present-day expansion rate is still a matter of some debate among cosmologists, but the reality is clear: Something is making the universe blow up. It appears as a repulsive gravitational force, and we’ve named it dark energy. Công trình này của các nhà thiên văn là công trình mới nhất trong chuỗi các khám phá trải dài qua hai thập niên. Cuối những năm 1990, hai nhóm nghiên cứu thiên văn học độc lập nhau đã cùng khám phá ra rằng vũ trụ đang tăng tốc giãn nở, nghĩa là vũ trụ của chúng ta đang ngày càng phình to ra với tốc độ mỗi ngày một nhanh hơn. Mức bành trướng của nó hiện giờ chính xác là bao nhiêu vẫn còn đang được các nhà vũ trụ học bàn cãi, nhưng thực tế cho ta thấy rõ: Có một cái gì đó đang làm vũ trụ nổ tung. Dường như đó là lực đẩy lùi lực hấp dẫn, và chúng ta gọi đó là năng lượng tối. [What causes a repulsive gravitational force? It is shown that reduction of the gravitational mass of the system due to emitting gravitational waves leads to a repulsive gravitational force that diminishes with time but never disappears. This repulsive force may be related to the observed expansion of the Universe. https://phys.org/news/2012-01-repulsive-gravity-alternative-dark-energy.html Người ta thấy rằng việc giảm đi khối vật chất có sức hút/lực hấp dẫn trong hệ thống do các sóng hấp dẫn được lan tỏa ra đưa đến lực hấp dẫn khiến đẩy lùi ra. Lực này giảm dần theo thời gian nhưng nó không hề biến mất. Lực đẩy lùi này có thể có liên quan đến sự bành trướng của vũ trụ mà ta quan sát thấy] The trick here is that the vacuum, first demonstrated by von Guericke all those centuries ago, is not as empty as it seems. If you were to take a box (or, following von Guericke’s example, two hemispheres), and remove everything from it, including all the particles, all the light, all the everything, you would not be left with, strictly speaking, nothing. What you’d be left with is the vacuum of spacetime itself, which we’ve learned is an entity in its own right. Điểm cắc cớ ở đây là chơn không, lần đầu tiên do von Guericke minh chứng trước đây nhiều thế kỷ, nhìn tưởng thế nhưng lại không hề trống không. Nếu bạn lấy một cái hộp (hoặc lấy hai bán cầu, theo kiểu thí dụ của von Guericke), và lấy hết mọi thứ bên trong ra, gồm tất cả các hạt, tất cả ánh sáng, mọi thứ có thể có trong ấy, thì trong chơn không ấy vẫn không phải không còn gì cho bạn. Cái bạn còn chính là vùng chơn không bốn chiều không-thời gian/spacetime, mà chúng ta biết nó là một thực thể có thực.

Nothing contains all things. It is more precious than gold. Cái không chứa đựng tất cả. Nó còn quý hơn vàng.

We live in a quantum universe; a universe where you can never be quite sure about anything. At the tiniest of scales, subatomic particles fizz and pop into existence, briefly experiencing the world of the living before returning back from where they came, disappearing from reality before they have a chance to meaningfully interact with anything else. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ lượng tử — ở đấy bạn không bao giờ có thể khẳng định chắc chắn về một điều gì. Ở mức độ siêu vi tế, các hạt nhỏ hơn cả nguyên tử sủi bọt và xuất hiện, trải nghiệm trong một sát na ngắn ngủi thế giới của sự sống trước khi quay trở lại chỗ chúng xuất phát, rồi biến mất khỏi thực tại trước khi chúng có dịp tương tác với bất cứ cái gì khác một cách đáng kể. This phenomenon has various names: the quantum foam, the spacetime foam, vacuum fluctuations. This foam represents a fundamental energy to the vacuum of spacetime itself, a bare ground level on which all other physical interactions take place. In the language of quantum field theory, the offspring of the marriage of quantum mechanics and special relativity, quantum fields representing every kind of particle soak the vacuum of spacetime like crusty bread dipped in oil and vinegar. Those fields can’t help but vibrate at a fundamental, quantum level. In this view, the vacuum is singing to us, a harmony underlying reality itself. Hiện tượng này có nhiều tên gọi: bọt lương tử, bọt không-thời gian, dao động chơn không. Bọt này đại diện cho một thứ năng lượng căn bản trong khoảng chơn không bốn chiều không-thời gian, một cấp độ nền tảng gốc cho mọi tương tác vật lý khác xảy ra. Nói theo ngôn ngữ lý thuyết về trường lượng tử, là con đẻ từ cuộc phối ngẫu giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối đặc biệt, các trường lượng tử là chỗ biểu hiện của mọi loại hạt và chúng hút chơn không bốn chiều giống như miếng bánh mì nhúng vào dầu giấm. Các trường này không thể không rung động ở cấp độ lượng tử căn bản. Nhìn theo cách này thì chơn không đang hát cho chúng ta nghe, một cung điệu hài hòa tiềm tàng chính nơi thực tại. Quantum fields are the quantum theoretical generalizations of classical fields. The two archetypal classical fields are Maxwell’s electromagnetic field and Einstein’s metric field of gravitation Các trường lượng tử là các trường cổ điển được khái quát hoá theo lý thuyết lượng tử. Hai trường cổ điển tiêu biểu là trường điện từ Maxwell và trường lực hấp dẫn Einstein.] In our most advanced quantum theories, we can calculate the energy contained in the vacuum, and it’s infinite. As in, suffusing every cubic centimeter of space and time is an infinite amount of energy, the combined efforts of all those countless but effervescent particles. This isn’t necessarily a problem for the physics that we’re used to, because all the interactions of everyday experience sit “on top of” (for lack of a better term) that infinite tower of energy—it just makes the math a real pain to work with. Theo các lý thuyết lượng tử cao cấp nhất, chúng ta có thể tính được năng lượng chứa trong vùng chơn không, và năng lượng này vô tận. Giống như, khi một lượng năng lượng vô tận lan tràn khắp từng centimet khối trong khoảng không gian và thời gian, đó là những khả năng hợp lại của tất cả số các hạt vô định đang sôi bọt. Đây không nhất thiết là vấn đề đặt ra cho ngành vật lý mà chúng ta vốn quen thuộc, vì mọi tương tác được trải nghiệm hàng ngày đều xảy ra trên “đỉnh” (không thể có từ ngữ nào hay hơn) tháp năng lượng vô tận này – chỉ có điều phép giải về bài toán này là cực kỳ khó. All this would be mathematically annoying but otherwise unremarkable except for the fact that in Einstein’s general theory of relativity, vacuum energy has the curious ability to generate a repulsive gravitational force. We typically never notice such effects because the vacuum energy is swamped by all the normal mass within it (in von Guericke’s case, the atmospheric pressure surrounding his hemispheres was the dominant force at play). But at the largest scales there’s so much raw nothingness to the universe that these effects become manifest as an accelerated expansion. Recent research suggests that around 5 billion years ago, the matter in the universe diluted to the point that dark energy could come to the fore. Today, it represents roughly 70 percent of the entire energy budget of the cosmos. Studies have shown that dark energy is presently in the act of ripping apart the large-scale structure of the universe, tearing apart superclusters of galaxies and disentangling the cosmic web before our eyes. Tất cả điều này có thể khiến ta khó chịu về mặt toán học (khi phải lý giải bằng toán) nhưng, mặt khác, nó lại chẳng có gì độc đáo ngoại trừ sự kiện là, theo thuyết tương đối tổng quát của Einstein, năng lượng chơn không lại có khả năng kỳ lạ là nó phát ra một lực hấp dẫn khiến đẩy lùi ra. Thường chúng ta không bao giờ ghi nhận những hiệu ứng như thế vì năng lượng chơn không ngập đầy tất cả khối vật chất bình thường nằm bên trong nó (trong trường hợp von Guericke, áp suất không khí chung quanh hai bán cầu là lực chủ đạo đang hiện hành). Nhưng ở các cấp độ lớn nhất, cái không nguyên tuyền có mặt khắp cả vũ trụ nhiều đến nỗi những hiệu ứng này trở thành biểu hiện theo kiểu bành trướng gia tốc. Nghiên cứu mới đây cho thấy cách đây khoảng 5 tỷ năm, vật chất trong vũ trụ loãng yếu đến độ năng lượng tối có thể hiển lộ. Ngày nay năng lượng tối chiếm khoảng 70% toàn bộ quỹ năng lượng của vũ trụ. Các nghiên cứu cho thấy năng lượng tối hiện giờ đang mặc sức tung hoành phá vỡ cấu trúc vĩ mô của vũ trụ, xé bung các chùm thiên hà to lớn và tháo tung mạng vũ trụ trước mắt của chúng ta. [Supercluster, a group of galaxy clusters typically consisting of 3 to 10 clusters and spanning as many as 200,000,000 light-years. They are the largest structures in the universe. Siêu chùm là một nhóm thiên hà, thường gồm từ 3 đến 10 chùm, trải ra có thể nhiều đến 200,000,000 năm ánh sáng. Chúng là những cấu trúc lớn nhất trong vũ trụ.] But the acceleration isn’t all that rapid. When we calculate how much vacuum energy is needed to create the dark energy effect, we only get a small number. Nhưng mức tăng tốc cũng không phải chỉ có quá nhanh. Khi chúng ta tính toán cần bao nhiêu năng lượng chơn không để tạo ra hiệu ứng năng lượng tối, chúng ta chỉ đạt được một con số nhỏ. But our quantum understanding of vacuum energy says it should be infinite, or at least incredibly large. Definitely not small. This discrepancy between the theoretical energy of the vacuum and the observed value is one of the greatest mysteries in modern physics. And it leads to the question about what else might be lurking in the vast nothingness of our atoms and our universe. Perhaps von Guericke was right all along. “Nothing contains all things,” he wrote. “It is more precious than gold, without beginning and end, more joyous than the perception of bountiful light, more noble than the blood of kings, comparable to the heavens, higher than the stars, more powerful than a stroke of lightening, perfect and blessed in every way.” Nhưng với sự hiểu biết lượng tử về năng lượng chơn không của chúng ta thì năng lượng ấy vô tận, hoặc, chí ít, nó cực kỳ lớn. Chắc chắn nó không hề nhỏ. Sự sai biệt này giữa năng lượng chơn không theo lý thuyết và trị số của nó theo quan sát là một trong những điều bí ẩn nhất của vật lý hiện đại. Và nó dẫn đến câu hỏi về còn có cái gì khác có thể đang ẩn khuất trong cái không to lớn nằm trong các hạt nguyên tử và trong vũ trụ của chúng ta. Có lẽ ngay từ đầu von Guericke đã nói đúng. Ông viết: “Cái không hàm chứa tất cả. Nó còn quý hơn vàng, không có bắt đầu hay kết thúc, rộn ràng hơn cả ánh sáng ngập tràn mà chúng ta nhận thức được, nó thượng đẳng hơn dòng dõi vua chúa, có thể ví nó như trời, nó cao hơn các vì sao, mạnh mẽ hơn cả sét trời đánh, nó toàn hảo đủ đầy phước báu muôn mặt.” Nguồn: https://nautil.us/the-remarkable-emptiness-of-existence-256323/?utm_source=pocket-newtab *Paul M. Sutter is a research professor in astrophysics at the Institute for Advanced Computational Science at Stony Brook University and a guest researcher at the Flatiron Institute in New York City. He is the author of Your Place in the Universe: Understanding Our Big, Messy Existence. Paul M. Sutter là giáo sư nghiên cứu về ngành vật lý thiên văn tại Viện Khoa Học Vi Tính Cao Cấp của Đại học Stony Brook và ông cũng tham gia nghiên cứu tại Viện Flatiron ở thành phố New York. Ông là tác giả quyển Chỗ Của Bạn Trong Vũ Trụ: Tìm Hiểu Sự Hiện Hữu To Lớn, Hỗn Độn Của Chúng Ta. [A guest researcher is a scientist, engineer, and/or student who are permitted to engage in scientific studies and investigations. Khách mời nghiên cứu là một nhà khoa học, một kỹ sư, hoặc là một sinh viên được cho phép tham gia vào các công trình tìm tòi nghiên cứu.] Các liên kết khác để tham khảo: Bản tiếng Anh: https://nautil.us/the-remarkable-emptiness-of-existence-256323/?utm_source=pocket-newtab The Remarkable Emptiness of Existence Early scientists didn’t know it, but we do now: The void in the universe is alive. By Paul M. Sutter January 4, 2023 In 1654 a German scientist and politician named Otto von Guericke was supposed to be busy being the mayor of Magdeburg. But instead he was putting on a demonstration for lords of the Holy Roman Empire. With his newfangled invention, a vacuum pump, he sucked the air out of a copper sphere constructed of two hemispheres. He then had two teams of horses, 15 in each, attempt to pull the hemispheres apart. To the astonishment of the royal onlookers, the horses couldn’t separate the hemispheres because of the overwhelming pressure of the atmosphere around them. Von Guericke became obsessed by the idea of a vacuum after learning about the recent and radical idea of a heliocentric universe: a cosmos with the sun at the center and the planets whipping around it. But for this idea to work, the space between the planets had to be filled with nothing. Otherwise friction would slow the planets down. The vacuum is singing to us, a harmony underlying reality itself. Scientists, philosophers, and theologians across the globe had debated the existence of the vacuum for millennia, and here was von Guericke and a bunch of horses showing that it was real. But the idea of the vacuum remained uncomfortable, and only begrudgingly acknowledged. We might be able to artificially create a vacuum with enough cleverness here on Earth, but nature abhorred the idea. Scientists produced a compromise: The space of space was filled with a fifth element, an aether, a substance that did not have much in the way of manifest properties, but it most definitely wasn’t nothing. But as the quantum and cosmological revolutions of the 20th century arrived, scientists never found this aether and continued to turn up empty handed. The more we looked, through increasingly powerful telescopes and microscopes, the more we discovered nothing. In the 1920s astronomer Edwin Hubble discovered that the Andromeda nebula was actually the Andromeda galaxy, an island home of billions of stars sitting a staggering 2.5 million light-years away. As far as we could tell, all those lonely light-years were filled with not much at all, just the occasional lost hydrogen atom or wandering photon. Compared to the relatively small size of galaxies themselves (our own Milky Way stretches across for a mere 100,000 light-years), the universe seemed dominated by absence. At subatomic scales, scientists were also discovering atoms to be surprisingly empty places. If you were to rescale a hydrogen atom so that its nucleus was the size of a basketball, the nearest electron would sit around two miles away. With not so much as a lonely subatomic tumbleweed in between. WILD HORSES COULDN’T DRAG THEM APART: Inventor Otto von Guericke’s original vacuum pump and copper hemispheres are on display in the Deutsches Museum in Munich, Germany. When von Guericke sealed the hemispheres in a vacuum, they couldn’t be separated by teams of horses. Image by Wikimedia Commons. https://assets.nautil.us/sites/3/nautilus/7qPwefwg-Sutter_BREAKER.png?auto=compress&fit=scale&fm=png&h=1359&ixlib=php-3.3.1&w=1536&wpsize=1536x1536

Nothing. Absolutely nothing. Continued experiments and observations only served to confirm that at scales both large and small, we appeared to live in an empty world. And then that nothingness cracked open. Within the emptiness that dominates the volume of an atom and the volume of the universe, physicists found something. Far from the sedate aether of yore, this something is strong enough to be tearing our universe apart. The void, it turns out, is alive. In December 2022, an international team of astronomers released the results of their latest survey of galaxies, and their work has confirmed that the vacuum of spacetime is wreaking havoc across the cosmos. They found that matter makes up only a minority contribution to the energy budget of the universe. Instead, most of the energy within the cosmos is contained in the vacuum, and that energy is dominating the future evolution of the universe. Their work is the latest in a string of discoveries stretching back over two decades. In the late 1990s, two independent teams of astronomers discovered that the expansion of the universe is accelerating, meaning that our universe grows larger and larger faster and faster every day. The exact present-day expansion rate is still a matter of some debate among cosmologists, but the reality is clear: Something is making the universe blow up. It appears as a repulsive gravitational force, and we’ve named it dark energy. The trick here is that the vacuum, first demonstrated by von Guericke all those centuries ago, is not as empty as it seems. If you were to take a box (or, following von Guericke’s example, two hemispheres), and remove everything from it, including all the particles, all the light, all the everything, you would not be left with, strictly speaking, nothing. What you’d be left with is the vacuum of spacetime itself, which we’ve learned is an entity in its own right. Nothing contains all things. It is more precious than gold. We live in a quantum universe; a universe where you can never be quite sure about anything. At the tiniest of scales, subatomic particles fizz and pop into existence, briefly experiencing the world of the living before returning back from where they came, disappearing from reality before they have a chance to meaningfully interact with anything else. This phenomenon has various names: the quantum foam, the spacetime foam, vacuum fluctuations. This foam represents a fundamental energy to the vacuum of spacetime itself, a bare ground level on which all other physical interactions take place. In the language of quantum field theory, the offspring of the marriage of quantum mechanics and special relativity, quantum fields representing every kind of particle soak the vacuum of spacetime like crusty bread dipped in oil and vinegar. Those fields can’t help but vibrate at a fundamental, quantum level. In this view, the vacuum is singing to us, a harmony underlying reality itself. In our most advanced quantum theories, we can calculate the energy contained in the vacuum, and it’s infinite. As in, suffusing every cubic centimeter of space and time is an infinite amount of energy, the combined efforts of all those countless but effervescent particles. This isn’t necessarily a problem for the physics that we’re used to, because all the interactions of everyday experience sit “on top of” (for lack of a better term) that infinite tower of energy—it just makes the math a real pain to work with. All this would be mathematically annoying but otherwise unremarkable except for the fact that in Einstein’s general theory of relativity, vacuum energy has the curious ability to generate a repulsive gravitational force. We typically never notice such effects because the vacuum energy is swamped by all the normal mass within it (in von Guericke’s case, the atmospheric pressure surrounding his hemispheres was the dominant force at play). But at the largest scales there’s so much raw nothingness to the universe that these effects become manifest as an accelerated expansion. Recent research suggests that around 5 billion years ago, the matter in the universe diluted to the point that dark energy could come to the fore. Today, it represents roughly 70 percent of the entire energy budget of the cosmos. Studies have shown that dark energy is presently in the act of ripping apart the large-scale structure of the universe, tearing apart superclusters of galaxies and disentangling the cosmic web before our eyes. But the acceleration isn’t all that rapid. When we calculate how much vacuum energy is needed to create the dark energy effect, we only get a small number. But our quantum understanding of vacuum energy says it should be infinite, or at least incredibly large. Definitely not small. This discrepancy between the theoretical energy of the vacuum and the observed value is one of the greatest mysteries in modern physics. And it leads to the question about what else might be lurking in the vast nothingness of our atoms and our universe. Perhaps von Guericke was right all along. “Nothing contains all things,” he wrote. “It is more precious than gold, without beginning and end, more joyous than the perception of bountiful light, more noble than the blood of kings, comparable to the heavens, higher than the stars, more powerful than a stroke of lightening, perfect and blessed in every way.” Paul M. Sutter is a research professor in astrophysics at the Institute for Advanced Computational Science at Stony Brook University and a guest researcher at the Flatiron Institute in New York City. He is the author of Your Place in the Universe: Understanding our Big, Messy Existence.