Znanstvenici američkog Nacionalnog laboratorija Brookhaven otkrili su da čestice koje nastaju u sudarima protona nose “potpis” virtualnih čestica koje postoje samo na trenutak u kvantnom vakuumu.

To otkriće, objavljeno u časopisu Nature, daje novi uvid u jednu od najvećih misterija fizike: kako ni iz čega nastaje materija od koje je sastavljen svijet u kojem živimo.

Da bi se razumjelo zašto je to otkriće važno, treba krenuti od osnovnog pitanja: što je zapravo vakuum?

Iako se dugo mislilo da je vakuum potpuno prazan prostor, fizika već 100-tinjak godina upućuje na to da to nije točno. Čak i u apsolutnoj praznini, gdje nema ni atoma ni zračenja, postoji tzv. kvantno polje. Ono stalno oscilira i stvara parove čestica i antičestica koje se pojavljuju i gotovo odmah poništavaju. Te prolazne pojave nazivaju se virtualnim česticama.

Virtualne čestice nisu “stvarne” u klasičnom smislu jer ih ne možemo izravno detektirati; one postoje samo kao kratkotrajne fluktuacije energije. No njihovi učinci su mjerljivi.

Heisenbergov princip neodređenosti

Jedan od ključnih pojmova koji se ovdje javljaju je kvantna fluktuacija. To su nasumične promjene energije koje proizlaze iz Heisenbergovog principa neodređenosti, temeljnog zakona kvantne mehanike. Taj princip kaže da se određeni parovi fizikalnih veličina, poput energije i vremena, ne mogu istodobno odrediti s potpunom preciznošću. Njegova formula ΔEΔt ≥ ℏ/2 kaže da što je kraći vremenski interval Δt, to je veća dopuštena neodređenost u energiji ΔE. Drugim riječima, priroda “dopušta” da energija na vrlo kratko vrijeme odstupi od svoje uobičajene minimalne vrijednosti u vakuumu.

To pak znači da se na iznimno kratkim vremenskim skalama može pojaviti mala količina energije naizgled niotkuda, dok god brzo nestaje i ne narušava ukupnu ravnotežu. Ta privremena odstupanja manifestiraju se kao kvantne fluktuacije, odnosno pojavljivanje i nestajanje virtualnih čestica u vakuumu.

Čestice kao manifestacije polja

Drugi važan pojam u ovom kontekstu je kvantno polje. U modernoj fizici čestice nisu temelj stvarnosti, nego su manifestacije polja. Elektron je pobuđenje elektronskog polja, foton je pobuđenje elektromagnetskog polja, kvarkovi nastaju iz kvarkovih polja itd.

Vakuum je stanje u kojem ta polja nisu pobuđena, no to ne znači da ne postoje.

Postojanje kvantnih fluktuacija po prvi put je potvrdio tzv. Casimirov efekt, nazvan po nizozemskom fizičaru Hendriku Casimiru, koji ga je teorijski predvidio još 1948. dok je radio u Philipsovom laboratoriju. Prva precizna eksperimentalna potvrda došla je desetljećima kasnije, kada su instrumenti postali dovoljno osjetljivi da izmjere iznimno slabe sile koje su se u eksperimentu stvarale.

Pojednostavljeno, efekt se javlja kada se dvije vrlo glatke, paralelne metalne ploče postave na izuzetno maloj udaljenosti u vakuumu. Kako smo već naveli, vakuum obiluje kvantnim fluktuacijama. No prostor između ploča nije jednak prostoru izvan njih – znatno je manji pa između ploča mogu postojati samo određene valne duljine koje odgovaraju razmaku ploča i njegovim višekratnicima (grafika dolje).

Izvan ploča nema takvog ograničenja pa ondje mogu postojati fluktuacije svih valnih duljina. To znači da je gustoća fluktuacija, odnosno energija vakuuma, manja između ploča nego izvan njih.

Ta razlika u energiji stvara efektivni tlak izvana prema unutra. Rezultat je mjerljiva sila privlačenja između ploča kojoj uzrok nije gravitacija ili elektromagnetizam.

Kako virtualne čestice postaju stvarne?

U uobičajenim okolnostima virtualne čestice brzo se poništavaju i ne uspijevaju stvoriti stvarne. No u vrlo snažnim sudarima, kakvi se događaju u akceleratoru RHIC u SAD-u, neke od njih dobiju dovoljno energije da postanu prave čestice koje možemo opaziti.

Što su znanstvenici mjerili?

Znanstvenici su u novoj studiji proučavali posebne čestice koje se zovu lambda hiperon i njihove antičestice. Hiperoni su subatomske čestice koje pripadaju skupini bariona. Kao i svi barioni, sastoje se od tri kvarka. Za razliku od protona i neutrona, koji sadrže samo gornje (u) i donje (d) kvarkove, hiperon obično sadrži jedan ili više “stranih” (s) kvarkova.

Ključna stvar koju su autori studije promatrali bio je spin, kvantno svojstvo čestica koje je povezano s magnetizmom, a koje se laički najlakše može zamisliti kao smjer “vrtnje” čestice.

U većini sudara spinovi čestica bili su nasumično raspoređeni, no znanstvenici su tražili rijetke slučajeve u kojima su bili povezani.

Analizom milijuna sudara otkrili su nešto iznenađujuće: kada su lambda čestica i njezina antičestica nastajale vrlo blizu jedna drugoj, njihovi spinovi bili su potpuno usklađeni.

Autori smatraju da je najbolje objašnjenje te opservacije da te dvije čestice potječu iz jednog para virtualnih čestica u vakuumu koje su bile međusobno povezane prije nego što su postale stvarne čestice. Znanstvenici su ih slikovito opisali kao “kvantne blizance”.

Ova pojava povezana je s tzv. kvantnom spregom, fenomenom u kojem dvije čestice nekim svojstvima ostaju povezane čak i kad su razdvojene na velike udaljenosti. Primjerice, ako na jednom kraju svemira odlučimo izmjeriti spin neke čestice, koji u kvantnom stanju nije poznat, otkrit ćemo istovremeno i spin s njome spregnute čestice koji do tog trenutka također nije bio poznat (slika dolje).

Albert Einstein je to nazivao sablasnim djelovanjem na daljinu jer mu je bilo teško prihvatiti da se ishod mjerenja na jednoj čestici može trenutačno odraziti na drugu, bez obzira na udaljenost između njih. No ta sprega potvrđena je u brojnim eksperimentima.

Zanimljivo je da je novi eksperiment pokazao da je sprega nestajala kada su čestice koje su nastajale iz vakuuma bile udaljenije jedna od druge. Autori studije smatraju da je uzrok tom nestanku to što su na njih počele utjecati druge čestice i okoliš.

To govori u prilog procesu tzv. kvantne dekoherencije u kojem prijelaz iz kvantnog svijeta (u kojem vrijede neobična pravila, pa i spregnutost) u “klasični” svijet (koji svakodnevno opažamo) nije trenutan, nego se događa postupno.

Prvo opažanje nastanka fotona

Unatoč tome što se već skoro 100 godina zna da vakuum nije potpuno prazan, znanstvenici su tek prije 15-ak godina uspjeli izravno detektirati nastajanje stvarnih čestica iz kvantnog vakuuma.

Ključ proboja iz 2011. bio je u tzv. dinamičkom Casimirovom efektu. Klasični Casimirov efekt javlja se u statičnom sustavu, dok dinamički nastaje kada se granice kvantnog sustava mijenjaju iznimno brzo. U praksi to znači da znanstvenici koriste supravodljive sklopove ili optičke rezonatore u kojima granice sustava vibriraju ili se mijenjaju velikom brzinom. U takvim uvjetima kvantne fluktuacije dobivaju dodatnu energiju i “iskaču” iz virtualnog stanja te se pretvaraju u stvarne čestice.

U eksperimentu iz 2011. znanstvenici su, koristeći sofisticirane kvantne uređaje, uspjeli precizno pratiti kako i kada nastaju čestice svjetlosti – fotoni te kako se njihova svojstva mijenjaju. Time su po prvi put dobili jasnu sliku prijelaza čestica iz virtualnog u stvarno stanje.

Ovakvi eksperimenti imaju dalekosežne posljedice. Prije svega, potvrđuju teorijske modele kvantne elektrodinamike, jedne od najtočnijih teorija u povijesti fizike.

Osim toga, oni otkrivaju procese koji su mogli igrati ključnu ulogu u ranom svemiru. Naime, tijekom inflacije, ranog razdoblja naglog širenja svemira neposredno nakon velikog praska (slika dolje), kvantne fluktuacije su se rastegnule i pretvorile u strukture koje su kasnije postale galaksije. Drugim riječima, sve što danas vidimo vjerojatno potječe iz kvantnih “šumova” vakuuma.

Zbog svega navedenog, fizičari danas sve ozbiljnije razmatraju hipotezu prema kojoj je cijeli svemir mogao nastati iz kvantnog vakuuma. Ako čestice mogu nastati iz fluktuacija, zašto ne i cijeli svemir?

© BUKA Magazin