Tako ta praznina preneha biti praznina
Vakuum je prostor, kjer se zgodi marsikaj, tudi če ga ne vidite. Vendar, da bi ugotovili, kaj točno zahteva toliko energije, da se je do nedavnega znanstvenikom zdelo nemogoče pogledati v svet virtualnih delcev. Ko se nekateri ljudje ustavijo v takšni situaciji, jih drugi ne morejo spodbuditi k poskusu.
Po kvantni teoriji je prazen prostor napolnjen z navideznimi delci, ki utripajo med bitjem in nebitjem. Prav tako jih ni mogoče zaznati – razen če bi jih našli kaj močnega.
"Ponavadi, ko ljudje govorijo o vakuumu, mislijo na nekaj, kar je popolnoma prazno," je v januarski številki NewScientist povedal teoretični fizik Mattias Marklund s Tehnološke univerze Chalmers v Göteborgu na Švedskem.
Izkazalo se je, da lahko laser pokaže, da sploh ni tako prazen.
Elektron v statističnem smislu
Virtualni delci so matematični koncept v kvantnih teorijah polja. So fizični delci, ki svojo prisotnost manifestirajo z interakcijami, vendar kršijo načelo lupine mase.
Virtualni delci se pojavljajo v delih Richarda Feynmana. Po njegovi teoriji je vsak fizični delec v resnici konglomerat virtualnih delcev. Fizični elektron je pravzaprav navidezni elektron, ki oddaja navidezne fotone, ki razpadejo na navidezne pare elektron-pozitron, ti pa medsebojno delujejo z virtualnimi fotoni – in tako naprej v nedogled. "Fizični" elektron je stalen proces interakcije med virtualnimi elektroni, pozitroni, fotoni in morda drugimi delci. "Resničnost" elektrona je statistični koncept. Nemogoče je reči, kateri del tega kompleta je resničen. Znano je le, da vsota nabojev vseh teh delcev povzroči naboj elektrona (tj. poenostavljeno povedano, mora biti en virtualni elektron več kot navideznih pozitronov) in da je vsota mas vsi delci ustvarijo maso elektrona.
V vakuumu nastanejo pari elektron-pozitron. Vsak pozitivno nabit delec, na primer proton, bo pritegnil te virtualne elektrone in odbil pozitrone (s pomočjo virtualnih fotonov). Ta pojav se imenuje vakuumska polarizacija. Pari elektron-pozitron, ki jih zavrti proton
tvorijo majhne dipole, ki s svojim električnim poljem spreminjajo polje protona. Električni naboj protona, ki ga merimo, torej ni naboj samega protona, temveč celotnega sistema, vključno z virtualnimi pari.
Laser v vakuumu
Razlog, zakaj verjamemo, da virtualni delci obstajajo, sega v temelje kvantne elektrodinamike (QED), veje fizike, ki poskuša razložiti interakcijo fotonov z elektroni. Odkar je bila ta teorija razvita v tridesetih letih prejšnjega stoletja, so se fiziki spraševali, kako ravnati s problemom delcev, ki so matematično nujni, a jih ni mogoče videti, slišati ali občutiti.
QED kaže, da teoretično, če ustvarimo dovolj močno električno polje, bodo navidezni spremljevalni elektroni (ali sestavljajo statistični konglomerat, imenovan elektron) razkrili svojo prisotnost in jih bo mogoče zaznati. Energija, potrebna za to, mora doseči in preseči mejo, znano kot Schwingerjeva meja, nad katero, kot je figurativno izraženo, vakuum izgubi svoje klasične lastnosti in preneha biti »prazen«. Zakaj ni tako preprosto? Po predpostavkah mora biti zahtevana količina energije tolikšna kot skupna energija, ki jo proizvedejo vse elektrarne na svetu – še milijardokrat.
Stvar se zdi zunaj našega dosega. Izkazalo pa se je, da ni nujno, če uporabimo lasersko tehniko ultra kratkih, visoko intenzivnih optičnih impulzov, ki sta jo v osemdesetih letih prejšnjega stoletja razvila lanska Nobelova nagrajenca Gérard Mourou in Donna Strickland. Sam Mourou je odkrito dejal, da giga-, tera- in celo petavatt moči, dosežene v teh laserskih superposnetkih, ustvarjajo priložnost za prekinitev vakuuma. Njegovi koncepti so bili utelešeni v projektu Extreme Light Infrastructure (ELI), podprt z evropskimi sredstvi in razvit v Romuniji. V bližini Bukarešte sta dva 80-petavatna laserja, ki ju znanstveniki želijo uporabiti za premagovanje Schwingerjeve meje.
Toda tudi če nam uspe prekiniti energetske omejitve, ostaja rezultat – in kaj se bo sčasoma pokazalo očem fizikov – zelo negotov. V primeru virtualnih delcev začne raziskovalna metodologija odpovedati in izračuni nimajo več smisla. Preprost izračun tudi pokaže, da oba laserja ELI ustvarjata premalo energije. Tudi štirje združeni svežnji so še vedno 10-krat manj, kot je potrebno. Vendar znanstvenikov to ne odvrača, saj menijo, da ta čarobna meja ni ostra enkratna meja, temveč postopno področje sprememb. Tako upajo na kakšne virtualne učinke tudi z manjšimi odmerki energije.
Raziskovalci imajo različne ideje za krepitev laserskih žarkov. Eden od njih je precej eksotičen koncept odsevnih in ojačanih ogledal, ki potujejo s svetlobno hitrostjo. Druge ideje vključujejo ojačitev žarkov s trkom fotonskih žarkov z elektronskimi ali trkanjem laserskih žarkov, kar naj bi želeli izvesti znanstveniki v raziskovalnem centru kitajske postaje Extreme Light v Šanghaju. Velik trkalnik fotonov ali elektronov je nov in zanimiv koncept, ki ga je vredno opazovati.
