Kiedy połączymy zasadę nieoznaczoności ze słynnym równaniem Einsteina, otrzymamy zdumiewający wynik: cząstki mogą powstać z niczego.
Co to jest „nic”? Jest to pytanie, które niepokoiło filozofów już w starożytnych Grekach, gdzie debatowali nad naturą pustki. Długo dyskutowali, próbując ustalić, czy „nic” przypadkiem nie jest czymś. Chociaż filozoficzne aspekty tego pytania budzą pewne zainteresowanie, jest to również pytanie, na które zwróciła uwagę społeczność naukowa. (Dr Ethan Siegel z Big Think napisał artykuł opisujący cztery definicje tego czym jest „nic”).
Co by się stało, gdyby naukowcy wzięli pojemnik i usunęli z niego całe powietrze, tworząc idealną próżnię całkowicie pozbawioną materii? Usunięcie materii oznaczałoby, że energia pozostanie. W podobny sposób, w jaki energia ze Słońca może przedostać się na Ziemię przez pustą przestrzeń, ciepło z zewnątrz pojemnika promieniowałoby do pojemnika. W ten sposób pojemnik nie byłby naprawdę pusty.
Co by jednak było, gdyby naukowcy schłodzili również pojemnik do najniższej możliwej temperatury (zera bezwzględnego), tak aby w ogóle nie emitował energii? Co więcej, załóżmy, że naukowcy osłoniliby pojemnik, aby żadna zewnętrzna energia ani promieniowanie nie mogło do niego przeniknąć. Wtedy w pojemniku nie byłoby absolutnie nic, prawda?
W tym miejscu wszystko wydaje się sprzeczne z intuicją. Okazuje się, że „nicość” nie jest niczym.
Natura „nic”
Prawa mechaniki kwantowej są mylące, przewidując, że cząstki są również falami, a koty są jednocześnie żywe i martwe (Kot Schrödingera). Jednak jedna z najbardziej mylących ze wszystkich zasad kwantowych nazywa się zasadą nieoznaczoności Heisenberga, która w skrócie mówi o tym, że nie można jednocześnie idealnie zmierzyć położenia i ruchu cząstki subatomowej. Chociaż jest to dobre przedstawienie zasady, mówi również, że nie można dokładnie zmierzyć energii niczego i że im krótszy czas mierzysz, tym gorszy jest twój pomiar. W skrajnych przypadkach, jeśli spróbujesz dokonać pomiaru w czasie bliskim zeru, Twój pomiar będzie nieskończenie nieprecyzyjny.
Te zasady kwantowe mają zaskakujące konsekwencje dla każdego, kto próbuje zrozumieć naturę niczego. Na przykład, jeśli spróbujesz zmierzyć ilość energii w miejscu — nawet jeśli ta energia ma być niczym — nadal nie możesz dokładnie zmierzyć zera. Czasami, gdy dokonujesz pomiaru, oczekiwane zero okazuje się być niezerowe. I to nie jest tylko problem z pomiarem; to cecha rzeczywistości. Dla krótkich okresów zero nie zawsze jest zerem.
Gdy połączymy ten dziwaczny fakt (że oczekiwana zerowa energia może być różna od zera, jeśli zbadamy wystarczająco krótki okres czasu) ze słynnym równaniem Einsteina E=mc²
, otrzymamy jeszcze bardziej dziwaczną konsekwencję. Równanie Einsteina mówi, że energia to materia i odwrotnie. W połączeniu z teorią kwantową oznacza to, że w miejscu, które rzekomo jest całkowicie puste i pozbawione energii, przestrzeń może na krótko oscylować do niezerowej energii – i ta tymczasowa energia może tworzyć cząstki materii (i antymaterii).
Piana kwantowa
Zatem na malutkim poziomie kwantowym pusta przestrzeń nie jest pusta. W rzeczywistości jest to tętniące życiem miejsce, w którym maleńkie cząsteczki subatomowe pojawiają się i znikają. To pojawianie się i znikanie ma pewne powierzchowne podobieństwo do musującego zachowania się piany na wierzchu świeżo nalanego piwa, z pojawianiem się i znikaniem bąbelków — stąd termin „piana kwantowa”.
Piana kwantowa nie jest tylko teoretyczna. Jest całkiem realna. Jednym z przykładów tego jest pomiar właściwości magnetycznych cząstek subatomowych, takich jak elektrony. Jeśli piana kwantowa nie jest prawdziwa, elektrony powinny być magnesami o określonej sile. Jednak po dokonaniu pomiarów okazuje się, że siła magnetyczna elektronów jest nieco wyższa (o około 0,1%). Gdy weźmie się pod uwagę wpływ piany kwantowej, teoria i pomiary zgadzają się doskonale — z dokładnością do dwunastu cyfr.
Kolejna demonstracja piany kwantowej pochodzi z efektu Casimira, nazwanego na cześć holenderskiego fizyka Hendrika Casimira.
Efekt Casimira wygląda mniej więcej tak: weź dwie metalowe płytki i umieść je bardzo blisko siebie w idealnej próżni, w odległości ułamka milimetra. Jeśli idea piany kwantowej jest słuszna, to próżnia otaczająca płyty jest wypełniona niewidoczną lawiną cząstek subatomowych, pojawiających się i znikających.
Cząsteczki te mają zakres energii, przy czym najprawdopodobniej energia jest bardzo mała, ale czasami pojawiają się wyższe wartości enerdii. I tu pojawiają się bardziej znane efekty kwantowe, ponieważ klasyczna teoria kwantowa mówi, że cząstki są zarówno cząstkami, jak i falami. A fale mają długości fal.
Poza niewielką szczeliną wszystkie fale mogą się wszędzie dostać bez ograniczeń. Jednak wewnątrz szczeliny mogą istnieć tylko fale krótsze niż szczelina. Długie fale po prostu tam nie pasują. Tak więc na zewnątrz szczeliny są fale o wszystkich długościach fali, podczas gdy wewnątrz szczeliny są tylko fale krótkie. Zasadniczo oznacza to, że na zewnątrz jest więcej rodzajów cząstek niż wewnątrz, a efektem jest wewnętrzne ciśnienie netto. Tak więc, jeśli piana kwantowa jest prawdziwa, płyty zostaną zepchnięte.
Naukowcy wykonali kilka pomiarów efektu Casimira, jednak dopiero w 2001 roku efekt ten został ostatecznie zademonstrowany przy użyciu opisanej techniki. Nacisk wywołany pianą kwantową powoduje ruch płyt. Piana kwantowa jest prawdziwa. W efekcie „nic” jest czymś.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany przez Dona Lincolna w serwisie Big Think.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: BigThink (Don Lincoln) via Freethink
zdjęcie wykorzystane w nagłówku wpisu pochodzi z Depositphotos