MEĐUNARODNI tim pod vodstvom znanstvenika sa Sveučilišta u Manchesteru objavio je u časopisu Science rad prema kojem je u tzv. analognom eksperimentu uspio potvrditi Schwingerov efekt, proces koji se inače zbiva samo u moćnim kozmičkim događajima.
Na stranicama Sveučilišta piše da je tim u svojem eksperimentu primjenom velikih struja u posebno dizajniranim uređajima temeljenim na grafenu, uspio iz vakuuma stvoriti parove čestica i antičestica. Neki popularnoznanstveni mediji, poput Big Thinka, prenijeli su ovu vijest pod naslovom prema kojem je znanstvenicima prvi put uspjelo ni iz čega stvoriti nešto.
No, to baš nije sasvim točno. U čemu je stvar?
Vakuum nije potpuno prazan prostor bez ičega
Prije svega treba istaknuti da u ovom slučaju znanstvenici nisu stvorili parove čestica i antičestica iz vakuuma, već su testirali proces koji je analogan Schwingerovom efektu. O tome će biti više riječi kasnije u tekstu.
No, čak i da jesu, to još uvijek ne bi bilo stvaranje nečega ni iz čega. Problem je u tome što se vakuum obično doživljava kao potpuno prazan prostor, bez ikakve materije ili elementarnih čestica, što baš nije točno.
U kvantnoj teoriji polja, stanje kvantnog vakuuma je kvantno stanje s najnižom mogućom energijom koje generalno ne sadrži fizičke čestice. Međutim, prema suvremenom shvaćanju, kvantni vakuum nikako nije jednostavan prazan prostor. On sadrži kratkoživuće elementarne čestice koje iskaču u kvantnom polju i brzo se međusobno poništavaju.
Najniža moguća energija ipak nije sasvim jednaka nuli
Dakle, kvantni vakuum sadrži najnižu moguću energiju, no ona nije sasvim jednaka nuli. Ona je mjerljiva i potvrđena tzv. Casimirovim efektom - efektom zbog kojeg se dvije paralelne ploče u vakuumu privlače silom koja je veća nego što bi se očekivalo da je na djelu samo gravitacija.
To privlačenje posljedica je činjenice da na ploče izvana djeluju jače sile nego iznutra jer je prostor između ploča mnogo ograničeniji nego prostor izvana pa dozvoljava pojavu mnogo ograničenijeg niza fluktuacija vakuuma. Rezultat je da su vanjske sile koje guraju ploče jednu prema drugoj veće od onih među pločama koje ih drže na distanci (ilustracija dolje).
Procijenjeno je da je energija jednog kubičnog centimetra praznog prostora oko 0.6 eV. Jedan elektronvolt (1 eV) je mjera količine kinetičke energije koju dobiva jedan elektron kada se u vakuumu ubrza iz stanja mirovanja kroz razliku električnog potencijala od jednog volta. To je izuzetno mala energija, no ipak nije jednaka nuli.
Takav kvantni vakuum nije statičan. U njemu prema Heisenbergovom principu neodređenosti s nekom vjerojatnošću nastaju parovi čestica i antičestica koje se vrlo brzo međusobno anihiliraju.
Što je Schwingerov efekt?
Nobelovac Julian Schwinger predvidio je još prije 70 godina da moćna električna ili magnetska polja mogu iz vakuuma iščupati čestice i antičestice bez da su u vakuumu postojale ikakve početne čestice ili antičestice.
Ključna ideja tog čupanja je da jako magnetsko ili električno polje ima dovoljnu snagu da razdvoji parove suprotno nabijenih čestica i antičestica koje spontano nastaju u kvantnom vakuumu tako da se one ne mogu poništiti. Pri tom razdvajanju troši se energija polja.
Ovakav proces zahtijeva elektromagnetska polja goleme snage poput onih koja nastaju oko magnetara, vrste neutronskih zvijezda s iznimno snažnim magnetskim poljem, onih koja se kratkotrajno stvaraju u sudaračima čestica ili pak onih koja kreiraju moćni laserski uređaji.
Budući da je trajna moćna elektromagnetska polja kakva nastaju u blizini magnetara nemoguće stvoriti na Zemlji, Schwingerova predviđanja nastoje se eksperimentalno ispitati moćnim laserima ili u visokoenergetskim sudaračima širom svijeta. No, kako je i u takvim uređajima teško ostvariti potrebne uvjete, Schwingerov efekt do danas još uvijek nije definitivno potvrđen.
Kako je postavljen novi eksperiment?
Što je učinio tim u Manchesteru? Prema objavljenom radu, tim je u svojem eksperimentu koristio posebno dizajnirani uređaj koji se sastojao od uskih suženja i superrešetki napravljenih od grafena. On je omogućio stvaranje iznimno jakih električnih polja u jednostavnim laboratorijskim uvjetima.
U eksperimentu je zabilježeno spontano stvaranje parova elektrona i šupljina koje su analog subatomskih čestica pozitrona (antičestica elektrona). Detalji provedenog procesa dobro su se slagali s teoretskim predviđanjima za Schwingerov efekt.
Dakle, eksperiment je potvrdio proces koji je analogan Schwingerovom efektu, ali ne i sam efekt izravno. Ipak, može se reći da je analog potvrda principa.
Čak ni Schwingerov efekt nije baš stvaranje nečega ni iz čega
No, čak i da je tim potvrdio Schwingerova predviđanja, to još uvijek ne bi značilo da je nešto nastalo ni iz čega. Zašto?
Schwingerov efekt može se smatrati raspadom vakuuma u prisutnosti električnog polja. No, iako pojam raspadanja vakuuma u kojem nastaju čestice sugerira da je nešto stvoreno ni iz čega, fizički zakoni očuvanja u njemu se ipak poštuju.
Tu je prije svega važno imati na umu da su elektroni i pozitroni jedni drugima antičestice, s identičnim svojstvima osim suprotnog električnog naboja, te da se uobičajeno međusobno poništavaju.
Očuvan je i električni naboj koji je u vakuumu neutralan jer je i par elektron-pozitron neutralan. Linearni i kutni moment isto su očuvani jer su u svakom paru elektron i pozitron stvoreni sa suprotnim brzinama i spinovima pa je i njihov zbroj nula.
Konačno, u skladu sa zakonom o očuvanju energije, električno polje gubi energiju kada se u njemu stvori i razdvoji par elektron-pozitron, u iznosu jednakom 2mec2, gdje je me masa elektrona, a c brzina svjetlosti. Drugim riječima, za stvaranje para čestica i antičestica utroši se energija polja koja prema Einsteinovoj formuli E=mc2, koja izjednačava energiju i masu, odgovara masi nastalog para – potrošeno je onoliko energije koliko je stvoreno čestica.