Ile waży próżnia? Być może odpowie matrioszka
Choć intuicja podpowiada, że „nic” nie powinno mieć energii, fizyka kwantowa pokazuje zupełnie co innego. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności – jednym z fundamentalnych praw fizyki kwantowej – nawet w próżni powstają cząstki, które pojawiają się na moment, a następnie znikają. Ten ciągły proces sprawia, że próżnia wcale nie jest pusta i, co za tym idzie, ma swoją energię, nazywaną energią próżni. Energia ta oddziałuje na cały wszechświat i jest związana z siłą napędzającą przyspieszoną ekspansję kosmosu, znaną jako ciemna energia. Pomimo intensywnych badań energia próżni nadal stanowi jedną z największych tajemnic nauki. Teoretyczne przewidywania wskazują, że jej wartość powinna być ogromna, ale obserwacje kosmiczne sugerują, iż jest znacznie mniejsza. Ta rozbieżność między teorią a rzeczywistością jest jednym z kluczowych problemów współczesnej fizyki, a wyjaśnienie tego fenomenu mogłoby rzucić nowe światło na fundamentalną naturę wszechświata i mechanizmy jego funkcjonowania.
Burzliwa aktywność
Zatem próżnia, niegdyś uznawana za pustą, w rzeczywistości jest pełna cząstek, które pojawiają się i znikają. Obowiązują tu jednak pewne reguły, takie jak zasada zachowania całkowitego ładunku elektrycznego układu. Oznacza to, że jedynie cząstki neutralne, np. fotony lub pary cząstka–antycząstka (jak elektron i pozyton), mogą chwilowo pojawiać się w próżni. Takich cząstek, określanych w fizyce jako wirtualne, nie da się bezpośrednio zmierzyć detektorami. Ich obecność można jednak wykryć poprzez obserwację ich efektów.
Jednym z najlepiej znanych zjawisk związanych z istnieniem wirtualnych cząstek jest efekt Casimira, opisany w 1948 r. przez holenderskiego fizyka Hendrika Casimira. Efekt ten przewiduje, że dwie metalowe płyty umieszczone w próżni przyciągają się, przy czym siła tego przyciągania przewyższa działającą między nimi siłę grawitacji. Wyjaśnienie zjawiska wymaga spojrzenia na kwantową naturę cząstek, wykazujących także właściwości falowe. Metalowe płyty, ustawione naprzeciwko siebie, formują wnękę, w której mogą istnieć tylko cząstki wirtualne o długościach fal zgodnych z odległością dzielącą płyty. Aby efekt zaistniał, odległość powinna wynosić kilkadziesiąt nanometrów. Poza wnęką takich ograniczeń brak, co prowadzi do większej gęstości cząstek wirtualnych na zewnątrz płyt w porównaniu z obszarem pomiędzy płytkami. Różnica w gęstości powoduje różnicę ciśnień – wyższe ciśnienie zewnętrzne sprawia, że płyty się przyciągają.
Efekt Casimira jest zjawiskiem mierzalnym, choć początkowe próby jego obserwacji napotykały trudności związane z ograniczoną precyzją pomiarów. Dopiero w 1997 r. Steve Lamoreaux z University of Washington w Seattle przeprowadził przełomowy eksperyment, który z wystarczającą precyzją potwierdził istnienie wspomnianego zjawiska. Eksperyment wymagał nie tylko niezwykle dokładnej kontroli odległości między płytami – rzędu nanometrów – ale również wyeliminowania zakłóceń zewnętrznych, takich jak drgania mechaniczne, zmiany temperatury czy oddziaływania elektromagnetyczne. Wyniki były zgodne z teoretycznymi przewidywaniami opartymi na mechanice kwantowej i dostarczyły jednocześnie narzędzi do dalszych badań w tej i pokrewnych dziedzinach. Obecnie efekt Casimira jest intensywnie analizowany m.in. pod kątem wyjaśnienia zjawiska ekspansji wszechświata.
Kłopotliwa stała
Albert Einstein w 1917 r., krótko po opracowaniu ogólnej teorii względności, zauważył, że jej równania, ukazujące zależności między materią i energią a geometrią przestrzeni oraz dynamiką kosmosu, mogą posłużyć do opisu wszechświata jako całości. W tamtych czasach naukowcy uważali, że wszechświat jest statyczny, czyli nie zmienia się w czasie, a równania Einsteina sugerowały, iż grawitacja spowodowałaby jego kurczenie się. Aby więc ogólna teoria względności była przydatna w wyjaśnieniu statycznego modelu kosmosu, Einstein wprowadził do równań dodatkowy składnik, nazwany stałą kosmologiczną, przeciwdziałający grawitacji i równoważący wpływ materii. Dopiero późniejsze ustalenia naukowców, takie jak odkrycie ekspansji wszechświata przez Edwina Hubble’a w 1929 r., pokazały, że wszechświat wcale nie jest statyczny, co sprawiło, że przez pewien czas uznawano stałą kosmologiczną za zbędną.
W 1998 r. termin „stała kosmologiczna” powrócił niespodziewanie w dyskusjach naukowych, kiedy dwie niezależne grupy badawcze dokonały przełomowego odkrycia, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Pierwsza z tych grup to Supernova Cosmology Project (SCP), prowadzona przez Saula Perlmuttera z Lawrence Berkeley National Laboratory. Druga to High-Z Supernova Search Team, kierowana przez Briana Schmidta i Adama Riessa. Oba zespoły analizowały odległe supernowe typu Ia (występują we wszystkich typach galaktyk, ich eksplozje uwalniają najwięcej energii spośród supernowych), czyli tzw. świece standardowe – ich jasność absolutna jest dobrze znana, co pozwala na precyzyjne obliczenia odległości w kosmosie. Wyniki naukowców z obu ośrodków, uzyskane niemal równocześnie, były zgodne: światło odległych supernowych było słabsze, niż wynikałoby z założenia, że ekspansja wszechświata zwalnia pod wpływem grawitacji. To oznaczało, że ekspansja nie tylko trwa, ale zachodzi coraz szybciej. Aby wyjaśnić to zjawisko, naukowcy przyjęli istnienie tajemniczej siły napędowej, którą nazwano energią ciemną, a jej działanie opisano matematycznie właśnie za pomocą stałej kosmologicznej.
Skomplikowane obliczenia
Na początku naukowcy byli pełni optymizmu: dwa różne obszary fizyki zdawały się łączyć, tłumacząc przyspieszoną ekspansję wszechświata. Ale entuzjazm szybko opadł. Gdy obliczono wkład energetyczny próżni na podstawie teorii kwantowej, wynik okazał się aż o 120 rzędów wielkości większy niż wartość stałej kosmologicznej potrzebnej do odtworzenia dynamiki wszechświata!
Problem jest bardzo złożony, ponieważ z jednej strony oficjalnie potwierdzono (poprzez obserwację efektu Casimira) istnienie fluktuacji próżni, a z drugiej – obliczenia opierają się na teorii kwantowej, czyli jednej z najlepiej zweryfikowanych teorii naukowych, co nadaje im wysoką wiarygodność. Ale dotychczas nie zbadano, jak cząstki wirtualne oddziałują w polu grawitacyjnym. Możliwe, że ich zachowanie różni się od zachowania zwykłej materii. Jeśli tak, ich wkład w równania Einsteina powinien zostać skorygowany, co mogłoby rozwiązać tę gigantyczną rozbieżność. Tę zależność zamierzają zbadać Enrico Calloni i jego zespół z włoskiego instytutu fizyki jądrowej. Ich celem jest zważenie cząstek wirtualnych za pomocą specjalnie zaprojektowanej wagi szalkowej, przypominającej te używane przez dawnych kupców.
Eureka!
Pomysł narodził się w umyśle Enrica Calloniego prawie 20 lat temu. Opiera się na zasadzie Archimedesa, która mówi, że ciało zanurzone w cieczy w obecności pola grawitacyjnego doświadcza siły wyporu w kierunku pionowym. Jeśli zamiast cieczy użyjemy próżni i umieścimy w niej układ z metalowych płyt, gęstość materii w utworzonej wnęce powinna być mniejsza niż na zewnątrz. Jeśli cząstki wirtualne zachowują się w polu grawitacyjnym tak samo jak cząstki zwykłe, powinny odczuwać wypór zgodnie z zasadą Archimedesa.
Przeprowadzenie odpowiedniego eksperymentu to duże wyzwanie. Włoscy naukowcy opracowali koncept nowoczesnej wagi szalkowej, w której szalki to układ płytek (jak w eksperymencie Lamoreaux). Jedną z szalek podgrzewa się i schładza, co zmienia jej stan z izolującego na nadprzewodzący. Pojawia się wtedy efekt Casimira, który zaburza równowagę urządzenia i wywołuje jego oscylacje. Amplituda oscylacji jest bardzo mała, więc konieczne jest precyzyjne eliminowanie z otoczenia wibracji takich jak wstrząsy sejsmiczne czy zmiany temperatury. Dlatego urządzenie musi być maksymalnie odizolowane, a eksperyment prowadzony w miejscu o niskiej aktywności sejsmicznej. Sardynia okazała się do tego idealna. Wyspa jest geologicznie stabilna, ma niską gęstość zaludnienia, a jej liczne kopalnie zapewniają izolację od wstrząsów i hałasu. Wybór padł na nieczynną od lat 90. XX w. kopalnię Sos Enattos, gdzie temperatura jest stabilna, a zakłócenia – minimalne.
System oscylacyjny przewyższa tradycyjne wagi, ponieważ zamiast jednorazowego ważenia generuje okresowy sygnał poprzez regularne podgrzewanie i chłodzenie próbek. Analiza sygnału pozwala łatwiej odfiltrować szumy i uzyskać precyzyjne dane. Metoda ta sprawdza się zarówno na powierzchni ziemi, jak i pod nią, gdzie zakłócenia są mniejsze (choć nawet przy jak najlepszym odizolowaniu urządzenia od otoczenia nadal mogą występować). Aby osiągnąć wysoką precyzję, waga oscylacyjna wymaga zaawansowanych usprawnień technicznych. Oscylacje są mierzone systemami laserowymi, a urządzenie musi działać w próżni i po schłodzeniu do poniżej –180°C. Metalowe płytki powinny szybko i równomiernie zmieniać temperaturę oraz wykazywać silny efekt Casimira, co samo w sobie stanowi wyzwanie (patrz ramka). Kluczowa jest minimalizacja drgań z otoczenia przy jednoczesnym zachowaniu precyzji pomiaru. Wzorem detektorów fal grawitacyjnych takich jak LIGO i Virgo waga jest zawieszona nad podłożem, a nie przymocowana do niego, co redukuje zakłócenia. Dodatkowo zastosowano systemy zdalnej regulacji i amortyzacji drgań pasożytniczych za pomocą urządzenia indukcyjnego. Minimalne oscylacje rejestruje się interferometrem laserowym, który wykrywa zmiany kąta przechyłu wagi. Wiązka lasera jest rozdzielana na dwie wiązki, które odbijają się od luster wagi, a różnice w długości ich drogi wskazują na odchylenia równowagi. Dzięki temu urządzenie osiąga wyjątkową czułość, a jego pomysłodawcy czerpali inspiracje z technologii używanych w zaawansowanych eksperymentach fizycznych.
Wnęka doskonała
Projektowanie wnęki, kluczowego elementu eksperymentu, wiązało się ze spełnieniem kilku istotnych warunków. Przede wszystkim należało zapewniać stałą odległość między przewodzącymi płytkami, co wymagało wykorzystania materiałów o sztywnej strukturze krystalicznej. Ale pojedyncza wnęka generowała zbyt słaby efekt Casimira, by można go było zmierzyć. Z tego powodu zastosowano rozwiązanie wielowarstwowe. Powstała w ten sposób struktura miała jednak ograniczenia: jej grubość wynosiła kilka centymetrów, co znacząco utrudniało równomierne ogrzewanie i chłodzenie, kluczowe w eksperymencie wymagającym szybkich zmian temperatury.
Przełom nastąpił, gdy Enrico Calloni natknął się na badania Achima Kempfa z University of Waterloo. Kempf wskazał na możliwość wykorzystania kryształów nadprzewodnikowych YBa2Cu3O7 o grubości zaledwie kilku nanometrów, które generują wystarczająco silny efekt Casimira. Takie kryształy pozwoliłyby na stworzenie struktur wielowarstwowych o grubości zaledwie kilku milimetrów. Konstrukcję nie tylko łatwiej byłoby wtedy ogrzewać i chłodzić, ale byłaby ona również znacznie praktyczniejsza w zastosowaniach eksperymentalnych. Ostateczne szalki niezwykłej wagi mają formę dwóch dysków o średnicy 10 cm i grubości kilku milimetrów. Aby równomiernie zmieniać ich temperaturę bez zakłócania eksperymentu, badacze opracowali metodę ogrzewania laserowego przy wykorzystaniu czarnej skrzynki działającej jako piec. Skrzynka nagrzewa kryształy równomiernie, a schładzanie odbywa się szybko za pomocą ciekłego azotu.
Złożenie całej konstrukcji jest prawdziwym wyzwaniem, ponieważ przypomina rosyjską zabawkę matrioszkę, ukrytą w trzech metalowych obudowach. Pierwsza, najbliższa wadze, stanowi komorę próżniową. Druga warstwa jest wypełniona ciekłym azotem. Trzecie naczynie – pozbawione powietrza – działa jak termos, zapobiegając zbyt szybkiemu nagrzewaniu się azotu. Dodatkowo trzeba przewidzieć przeprowadzenie wielu kabli łączących wagę z otoczeniem, które muszą wytrzymać ekstremalne warunki próżni i bardzo niskie temperatury. Ostatecznie cała struktura ma średnicę ok. 5 m i taką też wysokość i waży kilka ton.
W oczekiwaniu na przełom
Wszystkie komponenty eksperymentu są już teoretycznie gotowe, a naukowcy niecierpliwie czekają na rozpoczęcie pomiarów. Jeśli wyniki pokażą, że cząstki wirtualne zachowują się jak zwykła materia w polu grawitacyjnym, będzie to ostateczny dowód, że fluktuacje próżni odgrywają rolę w równaniach Einsteina. To zaś oznaczałoby, że mają ogromne znaczenie w skali kosmicznej. Wówczas kosmolodzy będą musieli wyjaśnić, co tłumi wpływ energii próżni w całym wszechświecie. Jeśli z kolei oscylacje wagi będą się różnić od przewidywań, otworzy to drzwi do zupełnie nowej fizyki, a niezwykły wynik trzeba będzie potwierdzić innymi eksperymentami. W takim przypadku konieczne będzie zrozumienie, jak cząstki wirtualne dokładnie zachowują się w obecności grawitacji, albo przeanalizowanie na nowo związku między energią a masą. „Nie chcemy antycypować wyników, aby nie wpłynąć na przebieg eksperymentu, ale każdy rezultat będzie fascynujący” – tłumaczy Enrico Calloni.