Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Trochę historii 

Spory o istnienie nicości trwają niemal od narodzin filozofii. Już w VI wieku p.n.e. grecki filozof Parmenides z Elei twierdził, że gdyby próżnia istniała, nie byłaby już nicością, więc nie istnieje. Sto lat później zakwestionował to Empedokles. Obserwował zachowanie zegara wodnego, co skłoniło go do uznania, że niewidzialne powietrze ma w istocie materialną naturę. Odmiennego zdania byli Leukippos i Demokryt, którzy twierdzili, że tworzące materię atomy poruszają się właśnie w pustce. Te wątpliwości zostały nieco okiełznane dopiero, gdy zaczęto odróżniać pojęcia przestrzeni i materii. Uznano bowiem, że przestrzeń nie jest nicością, chociaż może być pusta. I wówczas pojawił się Arystoteles, który niemal 2500 tysiąca lat temu stwierdził, że natura nie znosi próżni (horror vacui), argumentując, iż jest niebytem. Uznawał, że próżnia jest niemożliwa, gdyż ruch ciał oznacza przesuwanie jednych rodzajów rzeczy (np. powietrza) i zastępowanie ich innymi (np. poruszanym ciałem). W próżni, według filozofa, obiekty mogłyby przelatywać z niemożliwą prędkością. W 1277 roku biskup Paryża Etienne Tempier odrzucił tezy Arystotelesa i oświadczył, że Bóg może zrobić wszystko, mógł więc stworzyć wiele światów, a nawet próżnię. Arystotelizm dominował jednak do XVI wieku.

W XVII wieku wielcy myśliciele tacy, jak Kartezjusz i Leibniz wierzyli – chociaż każdy z innych powodów – w plenum, czyli przestrzeń wypełnioną choćby najbardziej subtelną substancją. Według Kartezjusza świat jest wypełniony materią, a próżnia nie istnieje. Leibniz natomiast widział przestrzeń jedynie jako zbiór relacji między bytami materialnymi. Wiele umysłów tego czasu zastanawiało się, czy próżnię można wytworzyć sztucznie. Nad tym zagadnieniem głowił się m.in. Galileusz. Zauważył mianowicie, że trudno rozdzielić dwie przyłożone do siebie gładko wypolerowane płyty marmurowe, podczas gdy z łatwością można przesuwać jedną płytę po drugiej. Doszedł do wniosku, że to właśnie horror vacui utrudnia rozdzielenie płyt, gdyż wówczas musiałaby między nimi powstać próżnia.

W 1643 roku uczeń Galileusza Evangelista Torricelli, który zajmował się m.in. badaniami nad ciśnieniem atmosferycznym, wykonał doświadczenie mające wykazać, dlaczego nie można wypompować wody z kopalni pompą znajdującą się na powierzchni ziemi; w tym celu skonstruował przyrząd demonstrujący to zjawisko. Doświadczenie polega na napełnieniu metrowej próbówki rtęcią, następnie próbówkę wprowadza się denkiem do góry do szerszego naczynia, również z rtęcią, aby oba naczynia utworzyły zespół połączony. W wyniku parcia rtęci znajdującej się wyżej na tę znajdującą się niżej, część płynu wypływa z probówki. Ponad rtęcią tworzy się przestrzeń zwana próżnią Torricellego. Po ustaleniu się równowagi w rurce pozostaje część płynu. Wysokość pozostającego słupa rtęci jest niezależna od długości rurki, ale jest zależna od ciśnienia atmosferycznego.

Kolejnym poszukiwaczem próżni był Otto von Guericke, burmistrz Magdeburga, który  wynalazł pompę do zasysania powietrza ze złączonych dwóch miedzianych półsfer, tworząc prawdopodobnie pierwszą wysokiej jakości próżnię na Ziemi. W teatralnej demonstracji w 1654 roku wykazał, że nawet dwa zaprzęgi koni usiłujące rozerwać półkul wielkości grejpfruta, nie są w stanie tego wykonać. Od tego czasu próżnia stała się podstawą fizyki. Próżnia von Guericke była nieobecnością powietrza. Próżnia elektromagnetyczna to brak ośrodka, który może spowolnić światło. A próżnia grawitacyjna to brak jakiejkolwiek materii czy energii zdolnej do zaginania przestrzeni. Dziś coraz częściej wydaje się, że kluczem do zrozumienia pochodzenia i losu Wszechświata może być staranne wyliczenie tych mnożących się odmian nieobecności. Dlaczego? Bo może okazać się, że nasz Wszechświat stoi na platformie o bardzo słabej konstrukcji, metastabilnej próżni, która jest skazana – w odległej przyszłości – na przekształcenie się w coś innego, co przyniesie zniszczenie wszystkiego.

Kwantowa nicość 

Autor artykułu zauważa, że nicość zyskała na znaczeniu, gdy w XX wieku fizycy zaczęli postrzegać rzeczywistość jako zbiór pól: obiekty, które wypełniają przestrzeń wartością w każdym punkcie (na przykład pole elektryczne określa w każdym punkcie siłę działającą na jednostkowy, spoczywający ładunek elektryczny). W fizyce klasycznej wartość pola może wszędzie wynosić zero, więc nie ma ono żadnego wpływu i nie zawiera energii.

Fizycy dowiedzieli się jednak, że pola Wszechświata są polami kwantowymi, a nie klasycznymi, co wskazuje na ich niepewną naturę. Nigdy nie znajdzie się pola kwantowego o dokładnie zerowej energii. Pole kwantowe jest jak szereg wahadeł – po jednym w każdym punkcie przestrzeni – których kąty reprezentują wartości pola. Każde wahadło zwisa prawie prosto w dół, ale drga w przód i w tył. Pozostawione w spokoju pole kwantowe pozostanie w konfiguracji o minimalnej energii, znanej jako „prawdziwa próżnia” lub „stan podstawowy” (cząstki elementarne są falami w tych polach). Większość pól kwantowych wypełniających nasz Wszechświat ma jeden i tylko jeden preferowany stan, w którym pozostaną na wieczność. Większość, ale nie wszystkie. 

W latach 70. XX wieku fizycy zaczęli doceniać znaczenie innej klasy pól kwantowych, których wartości wolą nie wynosić zera. Takie pole skalarne jest jak zbiór wahadeł unoszących się, powiedzmy, pod kątem 10 stopni. Ta konfiguracja może być stanem podstawowym: wahadła preferują ten kąt i są stabilne.

W 2012 roku eksperymentatorzy z Wielkiego Zderzacza Hadronów udowodnili, że pole skalarne znane jako pole Higgsa przenika Wszechświat. Początkowo w gorącym, wczesnym Wszechświecie jego wahadła skierowane były w dół, ale gdy kosmos się ochłodził, pole Higgsa zmieniło stan (podobnie jak woda może zamarznąć w lód), a wszystkie wahadła uniosły się pod tym samym kątem (ta niezerowa wartość Higgsa nadaje wielu cząstkom elementarnym właściwość znaną jako masa). Przy otaczających polach skalarnych stabilność próżni niekoniecznie jest absolutna. Wahadła pola mogą mieć wiele półstabilnych kątów i skłonność do przełączania się z jednej konfiguracji w drugą. Teoretycy nie są pewni, czy na przykład pole Higgsa znalazło swoją absolutnie ulubioną konfigurację — prawdziwą próżnię. Niektórzy twierdzą, że obecny stan pola, pomimo utrzymywania się przez 13,8 miliarda lat, jest tylko tymczasowo stabilny lub metastabilny. Jeśli tak jest, to ten stan nie będzie trwał wiecznie. W latach 80. XX wieku fizycy Sidney Coleman i Frank De Luccia opisali, jak fałszywa próżnia pola skalarnego może „zanikać”. W każdej chwili, jeśli wystarczająca liczba wahadeł w jakimś miejscu przeskoczy pod bardziej korzystnym kątem, przyciągną „sąsiadów”, a bańka prawdziwej próżni wyleci na zewnątrz z prędkością bliską prędkości światła. Czy mamy się bać? Autor artykułu uważa, że nie. Nawet jeśli nasza próżnia jest tylko metastabilna, biorąc pod uwagę jej dotychczasową siłę, prawdopodobnie przetrwa jeszcze miliardy lat.

Więcej próżni

Ponieważ fizycy próbowali dopasować potwierdzone prawa natury do większego zbioru, opracowali teorie natury z dodatkowymi polami i innymi składnikami. Kiedy pola gromadzą się, wchodzą w interakcje, wpływając wzajemnie na wahadła i tworząc nowe wzajemne konfiguracje. Fizycy wizualizują te próżnie jako doliny w „krajobrazie energii”. Różne kąty wahadła odpowiadają różnym ilościom energii lub wysokościom w krajobrazie energii, a pole stara się obniżyć swoją energię, tak jak kamień stara się stoczyć w dół. Najgłębsza dolina to stan podstawowy, ale kamień może się zatrzymać – przynajmniej na jakiś czas – w wyższej dolinie.

Ponad 20 lat temu fizycy Joseph Polchinski i Raphael Bousso badali pewne aspekty teorii strun. Trzeba jednak pamiętać, że według teorii strun czasoprzestrzeń musi mieć co najmniej 10 wymiarów, a dodatkowe są zwinięte w formy zbyt małe, by je wykryć. Naukowcy w 2000 roku obliczyli, że dodatkowe wymiary mogą składać się na ogromną liczbę sposobów. Każdy sposób tworzyłby odrębną próżnię z własnymi prawami fizycznymi. Odkrycie, że teoria strun pozwala na prawie niezliczoną liczbę próżni jest zgodna z innym odkryciem. Kosmologowie na początku lat 80. XX wieku opracowali hipotezę znaną jako kosmiczna inflacja, która stała się wiodącą teorią dotyczącą narodzin Wszechświata. Głosi ona, że Wszechświat rozpoczął się wielkim wybuchem o ekspansji wykładniczej, co zręcznie wyjaśnia obecny wygląd i wielkość, ale inflacja ma swoją cenę. Naukowcy odkryli bowiem, że raz rozpoczęta kosmiczna inflacja nie kończy się. Większość próżni gwałtownie eksploduje, tylko skończone obszary przestrzeni mogłyby zatrzymać inflację, stając się bąblami względnej stabilności oddzielonymi od siebie rozszerzającą się przestrzenią. Kosmolodzy inflacyjni uważają, że jedną z tych baniek jest nasz świat.

Wieloświat próżni

Autor artykułu zauważa, że wielu badaczy jest zdania, iż żyjemy w wieloświecie – niekończącym się krajobrazie bąbli próżniowych. To sprawia, że ​​natura każdej próżni (takiej jak nasza) wydaje się przypadkowa i nieprzewidywalna oraz ogranicza naszą zdolność do zrozumienia Wszechświata. Dla innych nadmiar próżni nie stanowi problemu. Wieloświat potencjalnie rozwiązuje wielką tajemnicę – ultraniską energię naszej szczególnej próżni.

Kiedy teoretycy „naiwnie” szacują kolektywne drgania wszystkich pól kwantowych we Wszechświecie, energia jest ogromna — wystarczająca, aby gwałtownie przyspieszyć ekspansję kosmosu i, w krótkim czasie, rozerwać kosmos na strzępy. Obserwowane przyspieszenie kosmosu jest jednak niezwykle łagodne, co sugeruje, że duża część zbiorowego drgania znosi się, a nasza próżnia ma wyjątkowo niską wartość dodatnią dla swojej energii. W samotnym Wszechświecie maleńka energia jedynej próżni wygląda jak zagadka, ale w wieloświecie to tylko szczęście. Jeśli różne bąble kosmosu mają różne energie i rozszerzają się w różnym tempie, galaktyki i planety powstaną tylko w najbardziej letargicznych bąblach. Nasza spokojna próżnia nie jest więc bardziej tajemnicza niż nadająca się do życia orbita naszej planety – znajdujemy się tutaj, ponieważ większość innych miejsc jest niegościnna do życia.

Pomimo pozornie nieskończonego menu próżni w teorii strun, jak dotąd nikt nie znalazł specyficznego złożenia niewielkich dodatkowych wymiarów, które odpowiadają próżni takiej jak nasza, z jej ledwie dodatnią energią. Wydaje się, że teoria strun znacznie łatwiej zapewnia próżnię o ujemnej energii. Być może teoria strun jest nieprawdziwa lub błąd może leżeć w niezrozumieniu jej przez naukowców. Być może fizycy nie trafili we właściwy sposób radzenia sobie z dodatnią energią próżni w teorii strun.

Badacze podejrzewają również, że nasza próżnia nie jest jednym z preferowanych stanów rzeczywistości i że pewnego dnia wskoczy w głębszą, stabilniejszą dolinę. W ten sposób może ona stracić pole, które generuje elektrony lub odebrać nową paletę cząstek. Ciasno złożone wymiary mogą zostać rozwinięte albo próżnia może nawet całkowicie „zrezygnować” z istnienia.

Koniec próżni

Fizyk Edward Witten po raz pierwszy odkrył bańkę „nicości” w 1982 roku. Badając próżnię z jednym dodatkowym wymiarem zwiniętym w mały pierścień w każdym punkcie, odkrył, że drgania kwantowe nieuchronnie poruszały dodatkowym wymiarem, czasami zmniejszając pierścień do punktu. Witten odkrył, że gdy wymiar zniknął w nicość, zabrał ze sobą wszystko inne. Niestabilność doprowadziłaby do powstania szybko rozszerzającej się bańki bez wnętrza, której lustrzana powierzchnia oznaczałaby koniec samej czasoprzestrzeni.

Ta niestabilność niewielkich rozmiarów od dawna nęka teorię strun. Wynaleziono na tę okoliczność różne składniki, aby je „usztywnić”. Isabel Garcia wraz z Patrickiem Draperem i Benjaminem Lillardem obliczyli żywotność próżni z jednym dodatkowym wymiarem zwinięcia. Rozważali różne stabilizatory, ale odkryli, że większość mechanizmów nie jest w stanie zatrzymać bąbli. Ich wnioski były zbieżne z wnioskami Wittena. Kiedy rozmiar dodatkowego wymiaru spadł poniżej pewnego progu, próżnia natychmiast się załamała. Podobne obliczenia – rozszerzone na bardziej wyrafinowane modele – mogą wykluczyć próżnię w teorii strun o wymiarach poniżej tego rozmiaru.

Przy wystarczająco dużym ukrytym wymiarze próżnia może jednak przetrwać wiele miliardów lat. Oznacza to, że teorie wytwarzające bąble „niczego” mogłyby przekonująco dorównać naszemu Wszechświatowi. Jeśli tak, Arystoteles mógł mieć więcej racji, niż sądził. Natura może nie być wielkim fanem próżni. Na ekstremalnie długą metę może w ogóle nie preferować „niczego”.

Opracowano na podstawie:
Charlie Wood: How the Physics of Nothing Underlies Everything