Próżnia nie jest nicością. Kwantowa próżnia zdecydowanie pozostaje czymś, i to czymś z gruntu tętniącym aktywnością. Mało tego, mamy prawo sądzić, że jej żywiołowe fluktuacje stanowią fundament fizycznej rzeczywistości.

Żadna cząstka we wszech­świe­cie nie jest samotna – przez cały czas ma wir­tu­alne towa­rzy­stwo

John Gribbin

Nigdy nie znamy wszystkich szczegółów

Zasada nie­ozna­czo­no­ści to nie­zwy­kły koncept. Abso­lutna podstawa funk­cjo­no­wa­nia świata, o ist­nie­niu którego dowie­dzie­li­śmy się zaledwie sto lat temu. Wtedy to pewien cho­ro­wity dok­to­rant z Niemiec zauważył, iż żaden model atomu nie będzie śmigał przy wyko­rzy­sta­niu tylko praw znanych z naszych codzien­nych doświad­czeń. Maleńkie elek­trony obiegają atomowe jądro – ale nie w prosty, prze­wi­dy­walny sposób z jakim mamy do czy­nie­nia, choćby w przy­padku planet orbi­tu­ją­cych wokół Słońca. Nowa dyrek­tywa stwo­rzona przez 25-letniego Wernera Heisen­berga była na tyle inno­wa­cyjna, że otwie­rała furtkę dla całkiem nowej gałęzi fizyki (więcej w tym tekście). A brzmi ona w sposób nastę­pu­jący: nigdy nie możesz jed­no­cze­śnie zmierzyć z dowolną dokład­no­ścią wartości poło­że­nia i pędu tej samej cząstki. Umiesz opisać ruch elek­tronu? Zatem możesz określić jego miejsce poło­że­nia jedynie z ogra­ni­czoną pew­no­ścią. Znasz kon­kretny “adres” cząstki? W takim razie zapomnij o moż­li­wo­ści ozna­cze­nia jej pędu i prze­wi­dze­nia gdzie znajdzie się za moment. Natura nie udo­stęp­nia nam wszyst­kich danych. Dosta­jemy coś za coś.

Laik, który po raz pierwszy styka się z kwantami, ma prawo do słusz­nych podej­rzeń. Czy bolączki Heisen­berga nie wynikły ze słabości apa­ra­tury? Może elektron zacho­wuje się nie inaczej niż prze­wi­dy­walny Mars dry­fu­jący na orbicie oko­ło­sło­necz­nej, ale nie­po­radni fizycy nie potrafią tego zauważyć? Niestety nic z tego. Głównym zało­że­niem zasady nie­ozna­czo­no­ści jak i całej mecha­niki kwan­to­wej jest to, iż infor­ma­cje o pod­da­nych pomiarom sub­a­to­mo­wych obiektów same się zamazują. 

W rze­czy­wi­sto­ści dużych obiektów – jak galak­tyki, planety, ludzie i piłki – taki problem nie istnieje i wydaje się tak dziwny, że aż nie­re­alny. Musimy być jednak świadomi, że dla mecha­niki kwan­to­wej nie­ozna­czo­ność pozo­staje pierw­szym przy­ka­za­niem, czymś bez czego fizyka traci sens. Tym bardziej, że jej kon­se­kwen­cje obejmują wszyst­kie obiekty sub­a­to­mowe, oraz co waż­niej­sze, dotyczą również innych wartości niż sam pęd i poło­że­nie cząstki.

Dwa dowody na aktywną próżnię

Niebawem wrócimy do samej zasady nie­ozna­czo­no­ści, lecz najpierw chciał­bym w tele­gra­ficz­nym skrócie zwrócić uwagę na dwa wyjąt­kowo inte­re­su­jące eks­pe­ry­menty. Oba nie figurują raczej w spo­łecz­nej świa­do­mo­ści. Szkoda, bo zde­cy­do­wa­nie zmieniły nasze wyobra­że­nie na temat prze­strzeni i potęgi kwantów. Nie tylko pod względem naukowym, ale wręcz filo­zo­ficz­nym.

Wszędzie w przestrzeni mogą pojawić się pary cząstek wirtualnych

Pierwszy eks­pe­ry­ment dotyczy obser­wa­cji widma atomu. Gdy pobu­dzimy ener­ge­tycz­nie poje­dyn­czy atom wodoru, jego elektron dokona “skoku” na wyższy orbital emitując foton, aby po chwili powrócić do nor­mal­nego stanu. Zmiany możemy zaob­ser­wo­wać na ekranie jako kolorowe prążki, świad­czące o emi­to­wa­nej energii. Jednak gdy przyj­rzymy się owym liniom, dostrze­żemy że nie są one idealnie czyste lecz jak gdyby roz­pro­szone, posia­dają tzw. struk­tury subtelne. Skąd taki efekt? Wyobraźmy sobie, że nagle w środek atomu zostaje wpro­wa­dzona para cząstek, dajmy na to elektron i pozyton. Nowy elektron nosi ujemny ładunek elek­tryczny więc ciągnie do dodatnio nała­do­wa­nych protonów jądra, zaś pozyton odwrot­nie, chce uciec odeń jak najdalej. Zresztą wszyst­kie elementy atomu zostaną lekko podraż­nione obec­no­ścią nie­pro­szo­nych gości. Świeże cząstki pełnią rolę słoni w nukle­ar­nym składzie por­ce­lany, co objawi się fizycz­nie roz­sz­cze­pie­niem linii widma.

Wizualizacja efektu Casimira

Do doko­na­nia drugiego doświad­cze­nia potrze­bu­jemy dwóch cie­niut­kich płyt prze­wo­dzą­cych prąd. Usta­wiamy je blisko siebie w próż­nio­wym pojem­niku, rów­no­le­gle lub tak aby tworzyły kształt litery “V”. Jeśli powierzch­nie dzieli odpo­wied­nio mała odle­głość – mówimy o milio­no­wych czę­ściach metra – to zauwa­żymy, że po chwili się zetkną. Same, bez naszej inge­ren­cji. Dlaczego? Znów wyobraźmy sobie, że mimo naszych starań w pojem­niku próż­nio­wym poja­wiają się róż­no­ra­kie cząstki. Rzecz jasna jedne trafią między płytki (na gruncie dualizmu kor­pu­sku­larno-falowego istotna będzie długość fali – cie­kaw­skich odsyłam do lite­ra­tury, reszcie wystar­czy uprosz­cze­nie), ale z uwagi na nie­wielką prze­strzeń, będą miały odpo­wied­nio mniejszą szansę aby się tam “wcisnąć”. Efekt jest zatem dość prosty do prze­wi­dze­nia: większe ciśnie­nie wywołane przez ruch cząstek na zewnątrz obu płyt, prowadzi do ich zbli­ża­nia i osta­tecz­nie zde­rze­nia.

Energia na kredyt

Oba przy­wo­łane eks­pe­ry­menty zostały wykonane w rze­czy­wi­sto­ści. Pierwszy w 1947 roku przez Willisa Lamba i Roberta Rether­forda (nie mylcie z Ernestem Ruther­for­dem). Drugi nato­miast opisał już w roku następ­nym Hendrik Casimir (stąd mówimy o efekcie Casimira), ale na bardzo dokładne pomiary cze­ka­li­śmy aż do 1993 roku. Doświad­cze­nia udzie­liły nam nie­zwy­kle ważnej lekcji na temat próżni: nie­za­leż­nie od naszych starań, zawsze będziemy w niej natykać się na mnóstwo drobin. To tzw. cząstki wir­tu­alne – wytrą­ca­jące się spon­ta­nicz­nie w prze­strzeni tylko po to aby po ułamku sekundy zniknąć. Mają cha­rak­ter chwi­lo­wych fluk­tu­acji, będąc swo­istymi duchami świata cząstek ele­men­tar­nych. 

Skąd pochodzą? W jaki sposób coś bierze się z niczego? Dlaczego prawa fizyki na to zezwa­lają?

quantum field2

Wła­ści­wie powin­ni­śmy stwier­dzić, iż prawa fizyki tego wymagają. A jeszcze lepiej, że dochodzi do kon­fron­ta­cji dwóch pod­sta­wo­wych reguł, to jest zasady zacho­wa­nia energii i przy­wo­ła­nej na początku zasady nie­ozna­czo­no­ści Heisen­berga. Pierwsza zabrania przy­by­wa­nia energii w układzie znikąd, druga zaś jak już wiemy, unie­moż­li­wia rów­no­cze­sne, bardzo dokładne poznanie dwóch kom­ple­men­tar­nych wiel­ko­ści fizycz­nych. Nie trzeba było wiele czasu aby naukowcy dostrze­gli nowe moż­li­wo­ści wypły­wa­jące z zamysłu Heisen­berga. “Sztuczka” jakiej doko­ny­wał nie­ogar­nięty elektron z pędem i poło­że­niem, mogła zostać prze­nie­siona również na wartości energii i czasu. Okazuje się, że im większą energią/masą dys­po­nuje dana cząstka wir­tu­alna, tym krócej potrwa jej żywot (kon­kret­niej: iloczyn energii i czasu trwania cząstki, musi być większy od stałej Plancka podzie­lo­nej przez 2).

Zasada nieoznaczoności umożliwia kreację cząstek wirtualnych

Zasada nie­ozna­czo­no­ści pozo­staje zatem kwan­to­wym ban­kie­rem, zaj­mu­ją­cym się poży­cza­niem energii “znikąd”, dosłow­nie z czystej prze­strzeni. Niestety po chwili przy­cho­dzi wredny komornik, repre­zen­tu­jący zasadę zacho­wa­nia energii, odbie­ra­jąc co jej. I oczy­wi­ście im większy dług zacią­gnięto, tym szybciej i gwał­tow­niej egze­ku­tor się o niego upomina. Przy tym musimy pamiętać jaką skalą czasową ope­ru­jemy. Dla przy­kładu, ponad dwieście razy masyw­niej­szy od elek­tronu wir­tu­alny mezon π0 wypa­ro­wuje przed upływem biliar­do­wej części sekundy. 

Dla upo­rząd­ko­wa­nia, prze­śledźmy cały mecha­nizm raz jeszcze. W każdym metrze prze­strzen­nym pustej z pozoru prze­strzeni, w skali mikro­sko­po­wej dochodzi do ciągłych fluk­tu­acji energii. Ich emanacją są wir­tu­alne fotony noszące różną wartość ener­ge­tyczną – tym większą im krócej cząstka istnieje. Jeśli poży­czona przez kwant energia okaże się dosta­teczna, może dojść do spon­ta­nicz­nej kreacji innych cząstek, naj­czę­ściej wir­tu­al­nej pary elektron-pozyton. Dlaczego nigdy nie zrodzi się samotny elektron albo samotny pozyton? Ponieważ cały proces musi odbyć się w zgodzie ze wszyst­kimi prawami fizyki, jak choćby zasadą zacho­wa­nia momentu pędu czy zacho­wa­nia ładunku. Cząstka pojawia się więc zawsze wraz ze swoją anty­cząstką, lustrza­nym odbiciem, po spo­tka­niu z którym dochodzi do ani­hi­la­cji i powtór­nej emisji fotonu. A to wszystko dzieje się w nie­wy­obra­żal­nie małym ułamku sekundy. Jednak mimo eks­tre­mal­nie krót­kiego żywota, wir­tu­alne byty potrafią nieźle nabroić.

Wszystko dzięki kwantowym polom

Skąd pomysł, że tak efe­me­ryczny twór jak cząstka wir­tu­alna, ma rze­czy­wi­ste zna­cze­nie? Już doświad­cze­nia Lamba i Casimira pokazały nam jasno i wyraźnie, że fluk­tu­acje prze­strzeni potrafią wywo­ły­wać bardzo nama­calne efekty. Są jednak też inne, takie których świad­kami jesteśmy codzien­nie, nawet w tym momencie. 
Już przed wojną Paul Dirac roz­po­czął marsz ku czemuś, co nazywamy obecnie kwantową teorią pola. Naj­po­pu­lar­niej­szym i pewnie naj­le­piej poznanym spośród pól jest pole elek­tryczne, opisane przez Richarda Feynmana i jego elek­tro­dy­na­mikę kwantową (nagro­dzoną słusznym Noblem). Według QED cała prze­strzeń pozo­staje oceanem wir­tu­al­nych fotonów, cze­ka­ją­cych tylko aby wziąć udział w inte­rak­cji między jakimiś obiek­tami. 

Fluktuacje kwantowej próżni

Roz­pa­trzmy zwykły elektron ota­cza­jący atomowe jądro. Oddzia­łuje elek­trycz­nie, więc nigdy nie pozo­staje zupełnie sam, pro­wa­dząc za sobą ławicę wir­tu­al­nych nośników oddzia­ły­wań. Gdy popie­ścimy nasz atom elektron prze­sko­czy na wyższy poziom ener­ge­tyczny, a następ­nie powróci wyko­rzy­stu­jąc jeden z pobli­skich fotonów. Przekaże mu nadmiar swojej energii, czyniąc go fotonem rze­czy­wi­stym, jak naj­bar­dziej możliwym do obser­wa­cji. Samo utrzy­my­wa­nie elek­tronu w ryzach przez dodatnio nała­do­wany proton, pozo­staje efektem pracy chmury wszech­obec­nych wir­tu­al­nych drobin, wymie­nia­nych między obiek­tami. To własnie inter­pre­tu­jemy jako oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne. Nie inaczej funk­cjo­nuje choćby silne oddzia­ły­wa­nie jądrowe, tyle że protony i neutrony, zamiast fotonów wymie­niają między sobą piony (mezony π), o masie na tyle dużej, że giną bardzo szybko i mają prak­tyczne zna­cze­nie jedynie na dystan­sie krótszym niż średnica jądra atomu.

Cząstki wirtualne rządzą wszechświatem

A to jeszcze nie wszystko. Na dobrą sprawę dopiero pozna­jemy świat cząstek wir­tu­al­nych i teo­re­ty­zu­jemy na temat roli odgry­wa­nej przez energię próżni. Coraz częściej uciekamy się doń przy opisie naj­więk­szych obiektów, a nawet całego kosmosu. Stephen Hawking już w latach 70. zauważył, że kwantowe reguły należy uwzględ­nić przy opisie czarnych dziur. Współ­cze­śni kosmo­lo­go­wie z kolei upatrują w energii prze­strzeni głównej podej­rza­nej, odpo­wie­dzial­nej za stale przy­śpie­sza­jącą eks­pan­sję wszech­świata.

Na zakoń­cze­nie, należy sobie zadać pytanie trapiące filo­zo­fów od czasów Par­me­ni­desa: czy w ogóle może istnieć coś co nazwiemy niebytem? A może kosmos istnieje dlatego, że coś musi być, a natura nie znosi próżni? I wreszcie, czy w świetle tej wiedzy, zarze­wiem wiel­kiego wybuchu nie mogła być właśnie wyjąt­kowa, jedyna w swoim rodzaju fluk­tu­acja pier­wot­nej pustki?

Jeśli tak, to rację miał fizyk Edward Tryon mówiąc, że…

Wszech­świat jest po prostu jedną z tych rzeczy, które zdarzają się od czasu do czasu.

Literatura uzupełniająca:
J. Al-Khalili, Kwanty. Przewodnik dla zdezorientowanych, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, J. Bieroń, Warszawa 1999;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, E. Kołodziej, Warszawa 1996;
P. Peczkowski, Efekt Casimira, czyli fluktuacje próżni kwantowej, [w:] “Fizyka wczoraj, dziś i jutro”, [online: http://www.edupress.pl/download/gfx/edupress/pl/defaultopisy/392/1/1/3101.pdf].