Κβαντικές διακυμάνσεις κενού. Quantum vacuum fluctuations

Η έννοια ΚΕΝΟ έχει εξελιχθεί ίσως περισσότερο από κάθε άλλη έννοια της Φυσικής κατά τον εικοστό αιώνα. Από την αρχαιότητα μέχρι τη δεκαετία του 1930 ο όρος ΚΕΝΟ σήμαινε ένα χώρο «όπου δεν υπάρχει τίποτε». Το ΚΕΝΟ της σύγχρονης Φυσικής είναι όμως κάτι που εμφανίζει εκρηκτική δραστηριότητα. Πρόκειται για μία κοχλάζουσα πηγή ενέργειας και ύλης/μάζας. Οι φυσικοί έχουν πλέον επιβεβαιωθεί ότι η φαινομενικά στέρεα ουσία είναι στην πραγματικότητα τίποτα άλλο παρά διακυμάνσεις του κβαντικού κενού. In quantum physics, a quantum vacuum fluctuation (or quantum fluctuation or vacuum fluctuation) is the temporary change in the amount of energy in a point in space, as explained in Werner Heisenberg's uncertainty principle.

Μια από τις εντυπωσιακότερες ανατροπές της κβαντικής θεωρίας ήταν η ανακάλυψη ότι ο κενός χώρος δεν μπορεί να υπάρξει.

Fig. 1: Normal intuition would lead us to expect that anything like a marble sitting in anything like a bowl would sit quietly at the bottom. But a quantum mechanical particle in a trap of some sort will have a position and motion that are constantly fluctuating. These fluctuations have energy; the motion-energy of a quantum particle in a trap is never zero.

Η ύλη είναι χτισμένη πάνω σε εκκεντρικά θεμέλια. Το κενό στην κβαντική θεωρία δεν είναι η κατάσταση του τίποτα. Η κατάσταση όπου τίποτα δεν υπάρχει και τίποτα δεν συμβαίνει. Το τίποτα για ένα κβαντικό πεδίο (ηλεκτρομαγνητικό, βαρυτικό κ.λ.π.) είναι απλώς η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας αυτού του πεδίου. Και σ’ αυτήν το πεδίο είναι υποχρεωτικά μηδέν.

Η διάκριση ανάμεσα στην ύλη και στον κενό χώρο εγκαταλείφθηκε από τη στιγμή που ανακαλύφθηκε ότι τα στοιχειώδη σωματίδια μπορούν να γεννηθούν αυθόρμητα από το κενό και στη συνέχεια να απορροφηθούν από το κενό. Σύμφωνα με τη θεωρία πεδίου φαινόμενα σαν και αυτό συμβαίνουν κάθε στιγμή. Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, δεν υπάρχει απόλυτο κενό και κάθε σημείο του σύμπαντος πάλλεται από μια αόρατη δραστηριότητα.

Ακόμη και στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, το κενό διαθέτει τεράστιες ποσότητες ενέργειας η οποία λόγω της ομοιογένειας δεν είναι άμεσα αντιληπτή, αλλά κάτω από ορισμένες συνθήκες οδηγεί σε παρατηρήσιμα και μετρήσιμα φαινόμενα. Ένας όγκος κενού χώρου που δεν είναι μεγαλύτερος από το μικρό δακτυλάκι μας περιέχει τόση ενέργεια όση δέκα δισεκατομμύρια, δισεκατομμύρια, δισεκατομμύρια, δισεκατομμύρια σύμπαντα μαζί!

Fig. 2: (Left) A particle may be viewed as a little ripple in a field, which away from any particles just sits quietly — naively — like the marble in the bottom of the bowl. (Right) But in fact the value of the field at every point in space is constantly fluctuating, just as the particle in the bowl is always jittering.

Έχει μέση τιμή μηδέν αλλά με ισχυρότατες κβαντικές διακυμάνσεις γύρω απ’ αυτήν και οι διακυμάνσεις αυτές μπορούν να γίνουν αισθητές. Ποιός είναι όμως ο φυσικός μηχανισμός που προκαλεί αυτές τις διακυμάνσεις; Ποιός εμποδίζει το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο να «ηρεμήσει» ακόμα και στην κατάσταση της ελάχιστής του ενέργειας; Η απάντηση είναι γνωστή. Είναι η αρχή της αβεβαιότητας.

Quantum vacuum fluctuation dynamics [La dynamique des fluctuations quantiques du vide].

Η ίδια αρχή  εμποδίζει τον ταυτόχρονο μηδενισμό της θέσης και της ορμής ενός αρμονικού ταλαντωτή και το υποχρεώνει έτσι σε μια αδιάκοπη κίνηση. Αν περιορίσουμε ένα ηλεκτρόνιο σε μια μικρή περιοχή του χώρου, τότε, όσο κι αν προσπαθήσουμε να το ακινητοποιήσουμε, εξαιτίας της αρχής της αβεβαιότητας αυτό θα συνεχίσει να κινείται με τυχαίο και απρόβλεπτο τρόπο. Αυτή η εκφυλισμένη κίνηση δημιουργεί την πίεση με την οποία οι λευκοί νάνοι υποβαστάζουν το ίδιο τους το βάρος.

Ομοίως, αν κάποιος προσπαθήσει να απαλείψει όλες τις ηλεκτρομαγνητικές ή βαρυτικές ταλαντώσεις από μια περιοχή του χώρου, ουδέποτε θα τα καταφέρει.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο υπόκειται επίσης στην αρχή της αβεβαιότητας. Όπως η ορμή και η θέση δεν μπορούν να μηδενιστούν ταυτόχρονα, έτσι η αρχή της αβεβαιότητας απαγορεύει τον ταυτόχρονο μηδενισμό του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου. Έτσι λοιπόν ακόμα και στην κατάσταση της ελάχιστής του ενέργειας – κατάσταση του «κενού» – το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αδυνατεί να «ηρεμήσει». Το ηλεκτρικό και το μαγνητικό του πεδίο θα έχουν μέση τιμή μηδέν σ’ αυτή την κατάσταση, αλλά θα παρουσιάζουν και ισχυρές κβαντικές διακυμάνσεις γύρω απ’ αυτήν.

Σύμφωνα λοιπόν με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, θα παραμένουν πάντοτε κάποιες τυχαίες και απρόβλεπτες ταλαντώσεις, δηλαδή κάποια τυχαία και απρόβλεπτα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (τα ίδια ισχύουν και για τα βαρυτικά κύματα). Τα κύματα αυτά είναι οι διακυμάνσεις κενού (κατά τον Zel’dovich) που υποχρεώνουν μια περιστρεφόμενη μεταλλική σφαίρα ή μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα να ακτινοβολεί.

Οι εν λόγω διακυμάνσεις του κενού δεν εξαφανίζονται αν αφαιρέσουμε την ενέργειά τους, διότι κατά μέσο όρο δεν περιέχουν καθόλου ενέργεια. Σε κάποια σημεία, κάποιες χρονικές στιγμές, έχουν θετική ενέργεια, την οποία «δανείστηκαν» από άλλα σημεία, τα οποία έχουν αποκτήσει αρνητική ενέργεια. Όπως μια τράπεζα δεν επιτρέπει στους πελάτες της να διατηρούν για μεγάλο χρονικό διάστημα αρνητικό υπόλοιπο λογαριασμού, έτσι και οι νόμοι της φυσικής αναγκάζουν τις περιοχές αρνητικής ενέργειας να απορροφήσουν γρήγορα ενέργεια από τις γειτονικές τους περιοχές θετικής ενέργειας, επαναφέροντας το ενεργεικό τους ισοζύγιο στο μηδέν ή σε θετικό επίπεδο. Αυτή η συνεχής τυχαία διαδικασία δανεισμού και επιστροφής ενέργειας αποτελεί το μηχανισμό που προκαλεί τις διακυμάνσεις κενού.

Οι διακυμάνσεις κενού των ηλεκτρομαγνητικών και βαρυτικών κυμάτων είναι εντονότερες σε μικρές περιοχές παρά σε μεγάλες – δηλαδή, για μικρά μήκη κύματος παρά για μεγάλα. Στο βίντεο του Fermilab που ακολουθεί, ο Δρ Don Lincoln μας εξηγεί γιατί ο κενός χώρος … δεν είναι κενός:

The laws of quantum mechanics and relativity are quite perplexing however it is when the two theories are merged that things get really confusing. This combined theory predicts that empty space isn’t empty at all – it’s a seething and bubbling cauldron of matter and antimatter particles springing into existence before disappearing back into nothingness. Scientists call this complicated state of affairs “quantum foam.” In this video, Fermilab’s Dr. Don Lincoln discusses this mind-bending idea and sketches some of the experiments that have convinced scientists that this crazy prediction is actually true.

Οι ηλεκτρομαγνητικές διακυμάνσεις κενού, τις οποίες κατανοούμε πλέον αρκετά καλά, αποτελούν κοινό χαρακτηριστικό διαφόρων φυσικών φαινομένων που παρατηρούμε καθημερινά.

Οι ηλ. διακυμάνσεις κενού προκαλούν την πτώση του ηλεκτρονίου από την διεγερμένη ατομική στάθμη – την αυθόρμητη αποδιέγερση που συνοδεύεται με εκπομπή φωτονίου από το άτομο. Οι αποδιεγέσεις αυτές παίζουν βασικό ρόλο π.χ. στη λειτουργία των λαμπτήρων φθορισμού.

Μια ηλεκτρική εκκένωση διεγείρει τα άτομα ατμών υδραργύρου μέσα στη λυχνία και, στη συνέχεια, τυχαίες ηλεκτρομαγνητικές διακυμάνσεις κενού υποχρεώνουν κάθε διεγερμένο άτομο, κάποια χρονική στιγμή, να εκπέμψει μέρος της ενέργειας διέγερσής του υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος (φωτόνιο – αυτό το «πρωτογενές» φωτόνιο απορροφάται από το φωσφόρο με τον οποίο επικαλύπτονται τα τοιχώματα του λαμπτήρα. Αυτός με τη σειρά του, εκπέμπει «δευτερογενή» φωτόνια τα οποία αντιλαμβανόμαστε ως φως).

Αυτή η εκπομπή ονομάζεται αυθόρμητη επειδή, όταν επισημάνθηκε για πρώτη φορά ως φυσικό φαινόμενο, οι φυσικοί δεν αντιλήφθηκαν ότι προκαλούνταν από διακυμάνσεις κενού.

A true game of chance: Max Planck researchers produce true random numbers by making the randomly varying intensity of the quantum noise visible. To do this, they use a strong laser (coming from the left), a beam splitter, two identical detectors and several electronic components. The statistical spread of the measured values follows a Gaussian bell-shaped curve (bottom). Individual values are assigned to sections of the bell-shaped curve that correspond to a number. Credit: MPI for the Physics of Light

Δεύτερο παράδειγμα συναντάμε στα λέιζερ, στο εσωτερικό των οποίων τυχαίες ηλεκτρομαγνητικές διακυμάνσεις κενού συμβάλλουν με το σύμφωνο φως του λέιζερ, διαμορφώνοντας έτσι το φως του με απρόβλεπτο τρόπο. Κατά συνέπεια τα φωτόνια εξέρχονται από το λέιζερ σε τυχαίες και απρόβλεπτες χρονικές στιγμές, και όχι ομοιόμορφα το ένα μετά το άλλο – φαινόμενο που ονομάζεται θόρυβος βολής φωτονίων.

Μια άλλη απόδειξη των ηλ. κβαντικών διακυμάνσεων του κενού είναι η δύναμη Casimir. Η δύναμη αυτή πήρε το όνομά της από τον Ολλανδό φυσικό Hendrik Casimir, ο οποίος το 1948 απέδειξε ότι δύο αφόρτιστες αγώγιμες μεταλλικές πλάκες που τοποθετούνται παράλληλα στο κενό, έλκονται μεταξύ τους. Η δύναμη αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο κενό δεν είναι μηδέν.

Ο Casimir έδειξε ότι η πίεση της ακτινοβολίας του πεδίου στην περιοχή του χώρου έξω από τις πλάκες είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από εκείνη μεταξύ των πλακών. Το τελικό αποτέλεσμα είναι οι πλάκες να αισθάνονται μια ελκτική δύναμη.

ΠΗΓΕΣ: Στέφανος Τραχανάς, «Σχετικιστική Κβαντομηχανική», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

Kip S. Thorne, «Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου», εκδόσεις κάτοπτρο.