Próżnia kipiąca cząstkami – triumf nieoznaczoności

Próżnia nie jest nicością. Kwantowa próżnia zdecydowanie pozostaje czymś, i to czymś z gruntu tętniącym aktywnością. Mamy również prawo sądzić, że wszechobecne cząstki wirtualne 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 działał przy uwzględnieniu 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 26-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? Nic z tego. Głównym założeniem zasady nieoznaczoności jak i całej mechaniki kwantowej pozostaje fakt, że właściwości poddanego pomiarom subatomowego obiektu, ulegają naturalnemu zamazaniu. 

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 byty mikroskopowe, a nawet – innych wartości niż tylko 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 również 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 bez śladu. Mają charakter chwilowych kwantowych fluktuacji, swoistych duchów świata cząstek elementarnych. 

Skąd pochodzą? W jaki sposób coś bierze się z niczego? I dlaczego prawa fizyki w ogóle na to zezwalają?

fluktuacja kwantowa

Właściwie powinniśmy stwierdzić, że prawa fizyki tego wymagają. A dokładniej, że dochodzi na tym polu do konfrontacji dwóch podstawowych reguł: 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).

Cząstki wirtualne powstają przez zasadę nieoznaczoności

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 kwantowych fluktuacji energii. Ich emanacją są wirtualne fotony noszące różną wartość energetyczną – tym większą im krócej cząstki wirtualne istnieją. 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 efemeryczne twory jak cząstki wirtualne, mają 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].
Naukowe “naj” 2015 Takie tam stożki… świetlne Hipoteza to nie teoria. Zapamiętaj!