Чтоб пустота перестала быть пустотой

Próżnia to miejsce, w którym, nawet jeśli tego nie widać, dzieje się sporo. Aby się jednak dowiedzieć, co dokładnie, potrzeba tyle energii, że do niedawna uczonym wejrzenie w świat wirtualnych cząstek wydawało się niemożliwe. Gdy jedni w takiej sytuacji się zatrzymują, dla innych niemożliwe stanowi zachętę, aby spróbować.

Według teorii kwantowej pusta przestrzeń jest wypełniona wirtualnymi cząstkami, które pulsują pomiędzy bytem i niebytem. Są one również całkowicie niewykrywalne – chyba że mielibyśmy coś potężnego, co je znajdzie.

— Zazwyczaj, gdy ludzie mówią o próżni, mają na myśli coś, co jest zupełnie puste — mówił w styczniowym numerze «NewScientist» fizyk teoretyk Mattias Marklund z Politechniki Chalmers w Göteborgu w Szwecji.

Okazuje się, że laser może wykazać, iż wcale nie jest tam aż tak pusto.

Elektron w sensie statystycznym

Cząstki wirtualne to matematyczna koncepcja w kwantowych teoriach pola. Chodzi o cząstki fizyczne manifestujące swoją obecność poprzez oddziaływania, jednak łamiące zasadę powłoki masy.

Cząstki wirtualne pojawiają się w pracach Richarda Feynmana. Zgodnie z jego teorią, każda fizyczna cząstka jest w istocie konglomeratem cząstek wirtualnych. Fizyczny elektron to tak naprawdę wirtualny elektron emitujący wirtualne fotony, które rozpadają się na wirtualne pary elektron-pozyton, oddziałujące z kolei za pomocą wirtualnych fotonów – i tak w nieskończoność. «Fizyczny» elektron to nieustannie dziejący się proces interakcji pomiędzy wirtualnymi elektronami, pozytonami, fotonami i być może innymi cząstkami. «Realność» elektronu to pojęcie statystyczne. Nie można powiedzieć, która cząstka z tego zbioru jest naprawdę rzeczywista. Wiadomo tylko, że suma ładunków wszystkich owych cząstek daje w wyniku ładunek elektronu (czyli, mówiąc w uproszczeniu, musi być jeden więcej elektron wirtualny niż jest wirtualnych pozytonów) oraz że suma mas wszystkich cząstek tworzy masę elektronu.

W próżni powstają pary elektron-pozyton. Dowolna cząstka obdarzona ładunkiem dodatnim, np. proton, będzie przyciągać te wirtualne elektrony, a odpychać pozytony (przy pomocy wirtualnych fotonów). Zjawisko to nazywa się polaryzacją próżni. Pary elektron-pozyton obracane przez proton

tworzą małe dipole, które swoim polem elektrycznym zmieniają pole protonu. Ładunek elektryczny protonu, który mierzymy, nie jest więc ładunkiem samego protonu, ale całego układu, łącznie z wirtualnymi parami.

Laserem w próżnię

Powód, dla którego uważamy, że cząstki wirtualne istnieją, sięga podstaw elektrodynamiki kwantowej (QED), gałęzi fizyki próbującej wyjaśnić interakcje fotonów z elektronami. Od czasu powstania tej teorii w latach 30. XX wieku, fizycy zastanawiają się, jak uporać się z problemem cząstek, których istnienie matematycznie jest konieczne, ale ich samych nie widać, nie słychać i nie czuć.

Z QED wynika, że teoretycznie, jeśli stworzymy odpowiednio silne pole elektryczne, wówczas wirtualne elektrony towarzyszące (lub składające się na statystyczny konglomerat zwany elektronem) ujawnią swoją obecność i będzie można dokonać ich detekcji. Potrzebna do tego energia musi osiągnąć i przekroczyć granicę zwaną limitem Schwingera, poza którą, jak to się obrazowo ujmuje, próżnia traci swoje klasyczne właściwości i przestaje być «pusta». Dlaczego to nie takie proste? Bo wymagana ilość energii musi wg założeń wynieść tyle, ile łączna energia produkowana przez wszystkie elektrownie świata — razy jeszcze miliard.

Rzecz wydaje się poza naszym zasięgiem. Jak się jednak okazuje, niekoniecznie, jeśli zastosować laserową technikę ultrakrótkich impulsów optycznych o dużym natężeniu, opracowaną jeszcze w latach 80. XX wieku przez ubiegłorocznych noblistów, Gérarda Mourou i Donnę Strickland. Sam Mourou otwarcie powiedział, że osiągane w tych laserowych superstrzałach moce giga-, tera- a nawet petawatowe, stwarzają szansę na rozbicie próżni. Jego koncepcje ucieleśniły się w projekcie Extreme Light Infrastructure (ELI), wspieranym z funduszy europejskich i rozwijanym w Rumunii. Pod Bukaresztem znajdują się dwa 10-petawatowe lasery, które naukowcy chcą wykorzystać do pokonania limitu Schwingera.

Nawet jednak jeśli uda się przełamać energetyczne ograniczenia, rezultat — i to co ukaże się ewentualnie oczom fizyków — pozostaje mocno niepewny. W przypadku cząstek wirtualnych zaczyna bowiem zawodzić metodologia badań, a obliczenia przestają mieć sens. Prosty rachunek wykazuje również, iż dwa lasery ELI generują za mało energii. Nawet cztery skombinowane wiązki to wciąż 10 tysięcy razy mniej, niż potrzeba. Jednak naukowców to nie zraża, bo ów magiczny limit uważają nie za ostrą jednorazową granicę, lecz stopniowalny obszar zmian. Mają więc nadzieję na pewne efekty wirtualne nawet przy mniejszych dawkach energii.

Badacze mają różne pomysły na wzmocnienie wiązek laserowych. Jednym z nich jest dość egzotyczna koncepcja odbijających i wzmacniających zwierciadeł, przemieszczających się z prędkością światła. Inne pomysły to wzmacnianie wiązek przez kolizje wiązek fotonów z wiązkami elektronów lub zderzanie wiązek laserowych, co podobno chcą przeprowadzać uczeni z chińskiego ośrodka badawczego Station of Extreme Light w Szanghaju. Wielki zderzacz fotonów czy elektronów to nowa i ciekawa koncepcja, którą warto obserwować.