kozmos.hr
Znanost

Jesu li znanstvenici stvorili „nešto“ iz „ničega“?

Schwingerov učinak
objavljeno

Zadnjih tjedana na svjetskim naslovnicama pojavili su se naslovi o tome kako su znanstvenici iz „ničega“ stvorili „nešto“. O čemu se zapravo radi?

Ranije ove godine u znanstvenom časopisu Science objavljen je rad tima znanstvenika sa britanskog Nacionalnog instituta za grafen na Sveučilišta u Manchesteru u kojem su iznesena neočekivana ali definitivno zanimljiva otkrića. Naime, znanstvenici, na čelu kojih stoji profesor Andre Geim, ispitivali su električnu vodljivost grafena, no u jednom ih je trenutku zateklo ono čemu se nisu nadali—skoro pa su potvrdili Schwingerov učinak.

Grafen je iznimno tanki sloj atoma ugljika, toliko tanak da u principu možemo reći da se radi o savršenoj 2D površini. U manchesterskom eksperimentu, dvije superrešetke grafena bile su precizno posložene u konstrukciju u kojoj je stvoren vakuum. Jednom kad su znanstvenici ispunili stvoreni vakuum elektronima i u brzali ih na maksimalnu brzinu koju dopušta grafen (tristoti dio brzine svjetlosti), desilo se nešto neočekivano: elektroni su postali iznimno svijetli i ukupna struja koju su generirali bila je viša od one koja se očekivala. Objašnjenje za tu pojavu koje tim znanstvenika predlaže je to da su se u vakuumu uz elektrone generirali dodatni nositelji električnog naboja koje zovemo električnim šupljinama.

grafen
Grafen – vrlo takma mreža atoma ugljika posloženih u 2D mrežu stvorenu od heksagona. Izvor: AlexanderAlUS / Wikimedia Commons.

Kvantna mehanika—Schwingerov učinak

Te šupljine su, dakle, stvorene iz „ničega“. No to nije zapravo tako. Još prije 70 godina, njemački kvantni fizičar Julian Schwinger teoretski je opisao mogućnost da se u vakuumu pod utjecajem jakog električnog polja spontano stvore parovi elektrona i pozitrona (antičestica elektrona). Odnosno, prema kvantnoj teoriji parovi čestica i antičestica se ne stvaraju pod utjecajem električnog polja, nego se oni u vakuumu konstantno spontano stvaraju neovisno o električnom polju, odmah nakon čega se dvije čestice međusobno anihiliraju i kao da nikada nisu ni postojale. Zato što čestice nastaju i nestaju puno brže nego je to moguće izravno primijetiti, takve čestice zovemo virtualnim česticama. No prema Schwingeru, iznimno jako električno polje sposobno je „uloviti“ jedan takav par čestica, te u tom trenutku one prestaju biti virtualne i postanu fizičke.

Ono što su znanstvenici u Manchesteru spazili za vrijeme svog eksperimenta nije zapravo Schwingerov učinak, ali je nešto što je itekako analogno i slično Schwingerovom učinku. Da bi se Schwinger u potpunosti potvrdio, morali bi uz elektrone biti stvoreni pozitroni, a ne šupljine. Pretpostavka koja slijedi iz eksperimenta je da je električno polje generirano u tom umjetno stvorenom grafenskom vakuumu jednostavno preslabo. Dapače, Schwingerova teorija pretpostavlja da su uvjeti za takvo „stvaranje“ čestica (zadržavanje virtualnih čestica) pogodni isključivo u dubokom svemiru gdje je na određenim mjestima električno polje dovoljno jako za takvu akciju. Tu ponajprije mislimo na prostore u blizini magnetara, neutronskih zvijezda koje stvaraju iznimno jaka elektromagnetska polja.

Je li vakuum prazan?

Razlog zašto znamo da spomenute virtualne čestice postoje je taj što smo taj dio priče eksperimentalno potvrdili. Još 1948., u jeku prvih velikih napora na polju kvantne mehanike, Nizozemac Hendrik Casimir proveo je eksperiment u kojem je u vakuumu postavio dvije iznimno tanke pločice jednu pored druge. Konvencionalnom logikom koja je vrijedila do tada, vakuum je prazan i pločice su trebale ostati potpuno mirne jer na njih nije imalo što utjecati—no dogodilo se nešto drugo. U jednom trenutku, pločice su se počele lagano približavati jedna drugoj. Taj učinak, danas poznat kao Casimirov učinak, u biti je dokaz da vakuum ipak nije potpuno prazan koliko smo mislili, što za sobom povlači i činjenicu da u svemiru ne postoji nešto što bi zvali „praznim prostorom“—svugdje ima nečega.

U vakuumu, kojeg u ovakvim okolnostima valja zvati kvantnim vakuumom, prema kvantnoj teoriji polja vlada najniže moguće energetsko stanje. U tom stanju ne postoje fizičke čestice, već isključivo virtualne čestice koje stalno nastaju i nestaju, a one su zapravo rezultat kvantnih fluktuacija vakuuma (spontanih promjena energetske razine u točkama prostora). One se, drguim riječima, stvaraju iz minimalne energije koju vakuum sam po sebi ima, što je nastavak Einsteinove ekvivalencije mase i energije. U Casimirovom pokusu, u većem prostoru izvan pločica kvantne fluktuacije vakuuma puno su intenzivnije nego u malom prostoru između pločica i u njihovom nadvladavanju slabijih fluktuacija pločice budu gurnute jedna ka drugoj zbog tzv. Casimirovih sila.

Casimirov učinak
Casimirov učinak. Primijetite veće kvantne fluktuacije vakuuma izvan pločica te manje fluktuacije između njih. Izvor: Emok / Wikimedia Commons.

Na vrlo smo skliskom teoretskom terenu, dakle. Ono što je sigurno je da znanstvenici nisu stvorili „nešto“ iz „ničega“, jer takvo bi što trebalo biti i fizički i filozofski nemoguće. Ono što su znanstvenici primijetili svakako je bitan korak u potvrđivanju i daljnjem razvijanju kvantne teorije, no još nas puno eksperimenata dijeli od zadiranja u fabriku vremena i prostora kakvom je opisuje kvantna mehanika. No sad bar znamo koji nam je potencijalno sljedeći korak—potvrđivanje stvarnog Schwingerovog učinka.

 


Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr


Izvori:

Berdyugin, Alexey I. et. al. „Out-of-equilibrium criticalities in graphene superlattices“. Science, vol. 375, br. 6579, 2022. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8627 (28.9.2022.).

„Cosmic physics mimicked on table-top as graphene enables Schwinger effect“. University of Manchester, 2022. https://www.manchester.ac.uk/discover/news/cosmic-physics-mimicked-on-table-top-as-graphene-enables-schwinger-effect (28.9.2022.).

Dunne, Gerald V. „The Schwinger Effect: non-perturbative particle production from vacuum“. Department of Physics, University of Connecticut. https://dunne.physics.uconn.edu/dunne-schwinger/# (28.9.2022.).

 

Zaljubljenik u astronomiju od malih nogu. Diplomirani anglist. U slobodno vrijeme vjerojatno s frendovima u obližnjem kafiću. U paralelnom svemiru sam nešto od sljedećeg: pomorac, fizičar, astronaut, pisac, željezničar.

Pratite Kozmos na Google Vijestima.