Czy i ile waży próżnia? To się da zmierzyć

Naukowiec to ma klawe życie: robi to, co lubi i jeszcze mu za to płacą. A najklawszą częścią życia naukowca są konferencje naukowe. Polegają one na tym, że grupa znajomych naukowczyń i naukowców spotyka się w jakimś ładnym miejscu, w ciągu dnia opowiadają sobie nawzajem o tym, o czym ostatnio myśleli, a wieczorami piją wino albo piwo w tanich knajpach i wymieniają się plotkami kto z kim, kiedy i dlaczego. Na konferencjach nie ma zazwyczaj miejsca na niespodzianki, bo na bieżąco śledzimy w Internecie swoje dokonania. I to jest szczególnie miłe, bo jak wiadomo, najlepsze są takie przeboje, które już dobrze znamy. Czasami jednak idylla zostaje zakłócona i na konferencji pojawia się coś nieoczekiwanego.

Tak było tym razem. Jeden kolega musiał wyjechać wcześniej, bo trzeba było zabrać dzieci na wakacje. Zostało po nim, jak dziura w zębie, puste miejsce w programie wykładów. Wtedy drugi kolega przypomniał sobie, że kilka dni wcześniej na korytarzu zaczepiła go koleżanka i zapytała, czy mogłaby opowiedzieć o tym, o czym myślała ostatnio. Ponieważ należała ona do konkurencyjnej grupy znajomych, zaproszenie jej obarczone było ryzykiem zderzenia audytorium z czymś nieznanym (w domyśle nieinteresującym). I tak to, nieoczekiwanie, dowiedziałem się o eksperymencie tak pięknym i fundamentalnie ważnym, że do dziś jestem pod wrażeniem.

Kolaboracja Archimedesa

Chodzi o próżnię. W teorii kwantowej nie jest ona pusta, wręcz przeciwnie, zawiera wielką liczbę powstających co chwila i znikających cząstek, zwanych wirtualnymi. Posiadają one pewną energię, którą można obliczyć. Wynik okazuje się nieskończony albo przynajmniej astronomicznie wielki, ale nikt się tym za bardzo nie przejmuje, bo w fizyce w zasadzie nigdy nie mierzymy energii, ale różnicę energii, na przykład, pomiędzy początkowym a końcowym stanem badanego układu. Wkład cząstek wirtualnych, choćby nawet nieskończony, w pomiarze energii po prostu się kasuje.

Napisałem „w zasadzie nigdy”, bo istnieje jedno ważne odstępstwo od tej reguły. To grawitacja. Według Einsteina, jej źródłem jest każda forma energii, a w szczególności energia próżni. I rzeczywiście wydaje się, że taka energia istnieje we wszechświecie. W 1998 r. astronomowie odkryli ku swojemu zaskoczeniu, że ekspansja wszechświata przyspiesza, a źródło tego przyspieszania nazwano czarną energią. Najprostszym wyjaśnieniem czarnej energii jest zaś przyjęcie, że jest ona miarą energii próżni – tak zwaną stałą kosmologiczną. Mamy tylko jeden kłopot: rachunki teoretyczne dają wynik 10120 (jedynka z 120 zerami) razy większy niż jej zmierzona wartość. Pytanie, jak rozwiązać tę niezgodność przewidywań i pomiarów, uważany jest powszechnie za jeden z najpoważniejszych nierozwiązanych problemów fizyki teoretycznej.

Ale może Einstein się mylił (a mylił się nie raz) i energia próżni wcale nie jest źródłem grawitacji? Co prawda problem stałej kosmologicznej natychmiast by wyparował, ale na jego miejsce zapewne pojawiłoby się tysiące innych, równie trudnych do rozwiązania. Najlepiej byłoby zrobić pomiar i po prostu sprawdzić, ale nikomu do głowy nie przyszło, że taki eksperyment jest w ogóle możliwy. Dlatego, gdy owego popołudnia na naszym spotkaniu pojawiła się przedstawicielka zespołu badaczy zrzeszonego w Archimedes Collaboration, szczęka mi z wrażenia opadła.

Pomysł doświadczenia jest zachwycająco prosty: polega na pomiarze siły wyporu. Tysiące lat temu Archimedes, jeden z największych uczonych starożytności odkrył, że ciało zanurzone w cieczy traci na swoim ciężarze tyle, ile waży ciecz przez to ciało wyparta. W naszym przypadku „cieczą” jest wypełniona wirtualnymi cząstkami próżnia. A co jest „ciałem”?

Efekt Casimira

Żeby odpowiedzieć na to pytanie, muszę poświęcić chwilę, żeby opisać jedno z najważniejszych zjawisk fizyki: efekt Casimira, nazwany tak na cześć holenderskiego fizyka Hendrika, który opisał go pierwszy raz w 1948 r. Efekt ten polega na tym, że wstawienie do pustej przestrzeni dwóch metalowych płyt spowoduje wypchnięcie z obszaru między nimi części występujących tam poprzednio cząstek wirtualnych. W efekcie powstanie niewielkie przyciąganie pomiędzy (nienaładowanymi) płytami – ponieważ na zewnątrz więcej jest cząstek wirtualnych niż wewnątrz, wywierają one na płyty większe ciśnienie (patrz: grafika). Siła ta jest naprawdę mała: dla dwóch płyt o powierzchni 1 cm2, znajdujących się w odległości 1 mikrometra, siła ta wynosi 10-7 (jedną dziesięciomilionową) Newtona.

Siłę Casimira udało się zaobserwować już pod koniec lat 50. ubiegłego wieku, ale błędy pomiarowe były zbyt wielkie, by można było to nazwać potwierdzeniem doświadczalnym istnienia efektu. Dokładnych pomiarów tej siły udało się dokonać dopiero pod koniec stulecia i od tego czasu przeprowadzono wiele eksperymentów potwierdzających istnienie efektu Casimira (przegląd tych doświadczeń znaleźć można w pracy „Recent progress in engineering the Casimir effect – applications to nanophotonics, nanomechanics, and chemistry”).

Triumf Einsteina

Uzbrojeni w tę wiedzę, możemy przejść do ważenia próżni. Owe dwie płyty (w realnym doświadczeniu ich funkcje spełniają warstwy atomów w odpowiednio dobranym krysztale) znajdują się w ziemskim polu grawitacyjnym. Jeśli więc próżnia waży, to ponieważ pomiędzy płytami jest jej mniej (bo część cząstek wirtualnych została z tego obszaru wypchnięta), na obszar ten, zanurzony w cieczy cząstek wirtualnych działać będzie siła wyporu: zgodnie z prawem Archimedesa, straci on tyle na swoim ciężarze, ile waży próżnia przez nie wyparta.

Najbardziej zaskakujące w tym wszystkim jest to, że siłę tę, wynoszącą 10-16 N daje się zmierzyć. Nie będę wchodził tu w szczegóły (można je znaleźć w pracy „Picoradiant tiltmeter and direct ground tilt measurements at the Sos Enattos site”), dość powiedzieć, że aparatura testowa zbudowana w skali 1 do 3, nie dość, że jest najdoskonalszym miernikiem w swojej klasie (mającym zastosowanie w detektorach fal grawitacyjnych), to ma czułość jedynie o jeden rząd wielkości mniejszą niż ta, która konieczna jest do zważenia próżni.

Prawdziwy eksperyment ma być przeprowadzony za dwa lata i mamy wszelkie powody, by wierzyć, że zakończy się sukcesem. A będzie to jeden z najważniejszych eksperymentów ostatnich lat. Jeśli okaże się, że próżnia waży, będzie to wielkim triumfem teorii Einsteina, ale z drugiej strony problem stałej kosmologicznej stanie się jeszcze bardziej palący. A jeśli próżnia nie waży? No cóż, wtedy pękną fundamenty fizyki. Trudno powiedzieć, który z tych możliwych wyników doświadczenia jest bardziej fascynujący.

Ściskajmy kciuki za jego powodzenie.