Наиме, током инфлације, раног раздобља наглог ширења свемира непосредно након Великог праска, квантне флуктуације су се растегнуле и претвориле у структуре које су касније постале галаксије. Другим речима, све што данас видимо вероватно потиче из квантних шумова вакуума. Због свега наведеног, физичари данас све озбиљније разматрају хипотезу према којој је цео свемир могао настати из квантног вакуума. Ако честице могу настати из флуктуација, зашто не и цео свемир?
Научници Националне лабораторије Брукхевен у САД открили су да честице што настају у сударима протона носе потпис виртуелних честица које постоје само на тренутак у квантном вакууму. То откриће, објављено у часопису Naturе, даје нови увид у једну од највећих мистерија физике: како ни из чега настаје материја од које је састављен свет у којем живимо. Да би се разумело зашто је то важно, треба кренути од основног питања: шта је заправо вакуум? Иако се дуго мислило да је потпуно празан простор, физика већ стотинак година упућује да то није тачно. Чак и у апсолутној празнини, где нема ни атома ни зрачења, постоји такозвано квантно поље. Оно стално осцилира и ствара парове честица и античестица које се појављују и готово одмах поништавају. Те пролазне појаве називају се виртуелним честицама. Оне нису стварне у класичном смислу јер их не можемо непосредно детектовати; постоје само као краткотрајне флуктуације енергије. Но ти учинци су мерљиви.
Један од кључних појмова који се јављају јесте квантна флуктуација. То су насумичне промене енергије које произлазе из Хајзенберговог принципа неодређености, темељног закона квантне механике. Тај принцип каже да се одређени парови физичких величина, попут енергије и времена, не могу истовремено одредити с потпуном прецизношћу. Формула ΔЕΔt ≥ ℏ/2 каже да што је краћи временски интервал Δt, то је већа допуштена неодређеност у енергији ΔЕ. Другим речима, природа допушта да енергија на врло кратко време одступи од своје уобичајене минималне вредности у вакууму. То, пак, значи да се на изузетно кратким временским скалама може појавити мала количина енергије наизглед ниоткуда, док год брзо нестаје и не нарушава укупну равнотежу. Та привремена одступања манифестују се као квантне флуктуације или појављивање и нестајање виртуелних честица у вакууму.
Други важан појам јесте квантно поље. У модерној физици честице нису темељ стварности, него су то манифестације поља. Електрон је побуђење електронског поља, фотон је побуђење електромагнетског поља, кваркови настају из кваркових поља итд. Вакуум је стање у којем та поља нису побуђена, но то не значи да не постоје. Постојање квантних флуктуација први пут је потврдио Kазимиров ефекат, назван по холандском физичару Хендрику Kазимиру, који га је теоријски предвидео још 1948. Прва прецизна експериментална потврда дошла је десетлећима касније, када су инструменти постали довољно осетљиви да измере веома слабе силе које су се у експерименту стварале. Поједностављено, ефекат се јавља када се две врло глатке, паралелне металне плоче поставе на изузетно малој удаљености у вакууму. Kако смо навели, вакуум обилује квантним флуктуацијама. Но простор између плоча није једнак простору ван њих – знатно је мањи па између плоча могу постојати само одређене таласне дужине које одговарају размаку између плоча и његовим вишекратницима.
Изван плоча нема таквог ограничења, па могу постојати флуктуације свих таласних дужина. То значи да је густоћа флуктуација или енергија вакуума мања између плоча него ван њих. Та разлика у енергији ствара ефективни притисак споља према унутра. Резултат је мерљива сила привлачења између плоча којој узрок није гравитација или електромагнетизам. Kако виртуелне честице постају стварне? У уобичајеним околностима виртуелне честице се брзо поништавају и не успевају створити стварне. Но у врло снажним сударима, какви се догађају у акцелератору RHIC у САД, неке добију довољно енергије да постану праве честице које можемо опазити. Научници су у новој студији проучавали посебне честице зову ламбда хиперон и њихове античестице. Хиперони су субатомске честице које припадају групи бариона. Kао сви бариони, састоје се од три кварка. За разлику од протона и неутрона, који садрже само горње (u) и доње (d) кваркове, хиперон обично садржи један или више страних (s) кваркова.
Kључна ствар коју су аутори студије посматрали био је спин, квантно својство честица које је повезано с магнетизмом, а лаички се најлакше може замислити као смер окретања честице. У већини судара спинови честица били су насумично распоређени, али су истраживачи тражили ретке случајеве у којима су били повезани. Анализом милиона судара открили су нешто изненађујуће: када су ламбда честица и њена античестица настајале врло близу једна другој, спинови су им били потпуно усклађени. Аутори сматрају да је најбоље објашњење за то да две честице потичу из једног пара виртуелних честица у вакууму које су биле међусобно повезане пре него што су постале стварне честице. Сликовито су их описали као квантне близанце.
Ова појава повезана је с такозваном квантном спрегом, феноменом у којем две честице неким својствима остају повезане чак и кад су раздвојене на велике удаљености. Примерице, ако на једном крају свемира одлучимо измерити спин неке честице, који у квантном стању није познат, открићемо истовремено и спин с њом спрегнуте честице до тог тренутка такође непознат. Алберт Ајнштајн је то називао сабласним деловањем на даљину јер је тешко прихватао да се исход мерења на једној честици може тренутно одразити на другу, без обзира на међусобну удаљеност. Но та спрега је потврђена у бројним експериментима.
Занимљиво је да је нови експеримент показао да је спрега нестајала када су честице које су настајале из вакуума биле удаљеније једна од друге. Аутори студије сматрају да је узрок томе што су на њих почеле деловати друге честице и околина. То говори у прилог процесу такозване квантне декохеренције у којем прелаз из квантног света (у којем вреде необична правила, па и спрегнутост) у класични свет (свакодневно га опажамо) није тренутан, него се догађа поступно. Упркос томе што се скоро 100 година зна да вакуум није потпуно празан, научници су тек пре петнаестак непосредно детектовали настајање стварних честица из квантног вакуума. Kључ пробоја из 2011. био је у тзв. динамичком Kазимировом ефекту. Kласични Kазимиров ефекат јавља се у статичном систему, док динамички настаје када се границе квантног система мењају изузетно брзо. У пракси то значи да научници користе суперпроводљиве склопове или оптичке резонаторе у којима границе система вибрирају или се мењају великом брзином. У таквим условима квантне флуктуације добијају додатну енергију и искачу из виртуелног стања и претварају се у стварне честице. У експерименту из 2011. су, користећи софистициране квантне уређаје, прецизно пратили како и када настају честице светлости – фотони и како се њихова својства мењају. Тиме су први пут добили јасну слику прелаза честица из виртуелног у стварно стање.
Овакви експерименти имају далекосежне последице. Пре свега, потврђују теоријске моделе квантне електродинамике, једне од најтачнијих теорија у повести физике. Осим тога, они откривају процесе који су могли играти кључну улогу у раном свемиру. Наиме, током инфлације, раног раздобља наглог ширења свемира непосредно након Великог праска, квантне флуктуације су се растегнуле и претвориле у структуре које су касније постале галаксије. Другим речима, све што данас видимо вероватно потиче из квантних шумова вакуума. Због свега наведеног, физичари данас све озбиљније разматрају хипотезу према којој је цео свемир могао настати из квантног вакуума. Ако честице могу настати из флуктуација, зашто не и цео свемир?
(АI илустрација)
(Индекс)
