Naime, tokom inflacije, ranog razdoblja naglog širenja svemira neposredno nakon Velikog praska, kvantne fluktuacije su se rastegnule i pretvorile u strukture koje su kasnije postale galaksije. Drugim rečima, sve što danas vidimo verovatno potiče iz kvantnih šumova vakuuma. Zbog svega navedenog, fizičari danas sve ozbiljnije razmatraju hipotezu prema kojoj je ceo svemir mogao nastati iz kvantnog vakuuma. Ako čestice mogu nastati iz fluktuacija, zašto ne i ceo svemir?
Naučnici Nacionalne laboratorije Brukheven u SAD otkrili su da čestice što nastaju u sudarima protona nose potpis virtuelnih čestica koje postoje samo na trenutak u kvantnom vakuumu. To otkriće, objavljeno u časopisu Nature, daje novi uvid u jednu od najvećih misterija fizike: kako ni iz čega nastaje materija od koje je sastavljen svet u kojem živimo. Da bi se razumelo zašto je to važno, treba krenuti od osnovnog pitanja: šta je zapravo vakuum? Iako se dugo mislilo da je potpuno prazan prostor, fizika već stotinak godina upućuje da to nije tačno. Čak i u apsolutnoj praznini, gde nema ni atoma ni zračenja, postoji takozvano kvantno polje. Ono stalno oscilira i stvara parove čestica i antičestica koje se pojavljuju i gotovo odmah poništavaju. Te prolazne pojave nazivaju se virtuelnim česticama. One nisu stvarne u klasičnom smislu jer ih ne možemo neposredno detektovati; postoje samo kao kratkotrajne fluktuacije energije. No ti učinci su merljivi.
Jedan od ključnih pojmova koji se javljaju jeste kvantna fluktuacija. To su nasumične promene energije koje proizlaze iz Hajzenbergovog principa neodređenosti, temeljnog zakona kvantne mehanike. Taj princip kaže da se određeni parovi fizičkih veličina, poput energije i vremena, ne mogu istovremeno odrediti s potpunom preciznošću. Formula ΔEΔt ≥ ℏ/2 kaže da što je kraći vremenski interval Δt, to je veća dopuštena neodređenost u energiji ΔE. Drugim rečima, priroda dopušta da energija na vrlo kratko vreme odstupi od svoje uobičajene minimalne vrednosti u vakuumu. To, pak, znači da se na izuzetno kratkim vremenskim skalama može pojaviti mala količina energije naizgled niotkuda, dok god brzo nestaje i ne narušava ukupnu ravnotežu. Ta privremena odstupanja manifestuju se kao kvantne fluktuacije ili pojavljivanje i nestajanje virtuelnih čestica u vakuumu.
Drugi važan pojam jeste kvantno polje. U modernoj fizici čestice nisu temelj stvarnosti, nego su to manifestacije polja. Elektron je pobuđenje elektronskog polja, foton je pobuđenje elektromagnetskog polja, kvarkovi nastaju iz kvarkovih polja itd. Vakuum je stanje u kojem ta polja nisu pobuđena, no to ne znači da ne postoje. Postojanje kvantnih fluktuacija prvi put je potvrdio Kazimirov efekat, nazvan po holandskom fizičaru Hendriku Kazimiru, koji ga je teorijski predvideo još 1948. Prva precizna eksperimentalna potvrda došla je desetlećima kasnije, kada su instrumenti postali dovoljno osetljivi da izmere veoma slabe sile koje su se u eksperimentu stvarale. Pojednostavljeno, efekat se javlja kada se dve vrlo glatke, paralelne metalne ploče postave na izuzetno maloj udaljenosti u vakuumu. Kako smo naveli, vakuum obiluje kvantnim fluktuacijama. No prostor između ploča nije jednak prostoru van njih – znatno je manji pa između ploča mogu postojati samo određene talasne dužine koje odgovaraju razmaku između ploča i njegovim višekratnicima.
Izvan ploča nema takvog ograničenja, pa mogu postojati fluktuacije svih talasnih dužina. To znači da je gustoća fluktuacija ili energija vakuuma manja između ploča nego van njih. Ta razlika u energiji stvara efektivni pritisak spolja prema unutra. Rezultat je merljiva sila privlačenja između ploča kojoj uzrok nije gravitacija ili elektromagnetizam. Kako virtuelne čestice postaju stvarne? U uobičajenim okolnostima virtuelne čestice se brzo poništavaju i ne uspevaju stvoriti stvarne. No u vrlo snažnim sudarima, kakvi se događaju u akceleratoru RHIC u SAD, neke dobiju dovoljno energije da postanu prave čestice koje možemo opaziti. Naučnici su u novoj studiji proučavali posebne čestice zovu lambda hiperon i njihove antičestice. Hiperoni su subatomske čestice koje pripadaju grupi bariona. Kao svi barioni, sastoje se od tri kvarka. Za razliku od protona i neutrona, koji sadrže samo gornje (u) i donje (d) kvarkove, hiperon obično sadrži jedan ili više stranih (s) kvarkova.
Ključna stvar koju su autori studije posmatrali bio je spin, kvantno svojstvo čestica koje je povezano s magnetizmom, a laički se najlakše može zamisliti kao smer okretanja čestice. U većini sudara spinovi čestica bili su nasumično raspoređeni, ali su istraživači tražili retke slučajeve u kojima su bili povezani. Analizom miliona sudara otkrili su nešto iznenađujuće: kada su lambda čestica i njena antičestica nastajale vrlo blizu jedna drugoj, spinovi su im bili potpuno usklađeni. Autori smatraju da je najbolje objašnjenje za to da dve čestice potiču iz jednog para virtuelnih čestica u vakuumu koje su bile međusobno povezane pre nego što su postale stvarne čestice. Slikovito su ih opisali kao kvantne blizance.
Ova pojava povezana je s takozvanom kvantnom spregom, fenomenom u kojem dve čestice nekim svojstvima ostaju povezane čak i kad su razdvojene na velike udaljenosti. Primerice, ako na jednom kraju svemira odlučimo izmeriti spin neke čestice, koji u kvantnom stanju nije poznat, otkrićemo istovremeno i spin s njom spregnute čestice do tog trenutka takođe nepoznat. Albert Ajnštajn je to nazivao sablasnim delovanjem na daljinu jer je teško prihvatao da se ishod merenja na jednoj čestici može trenutno odraziti na drugu, bez obzira na međusobnu udaljenost. No ta sprega je potvrđena u brojnim eksperimentima.
Zanimljivo je da je novi eksperiment pokazao da je sprega nestajala kada su čestice koje su nastajale iz vakuuma bile udaljenije jedna od druge. Autori studije smatraju da je uzrok tome što su na njih počele delovati druge čestice i okolina. To govori u prilog procesu takozvane kvantne dekoherencije u kojem prelaz iz kvantnog sveta (u kojem vrede neobična pravila, pa i spregnutost) u klasični svet (svakodnevno ga opažamo) nije trenutan, nego se događa postupno. Uprkos tome što se skoro 100 godina zna da vakuum nije potpuno prazan, naučnici su tek pre petnaestak neposredno detektovali nastajanje stvarnih čestica iz kvantnog vakuuma. Ključ proboja iz 2011. bio je u tzv. dinamičkom Kazimirovom efektu. Klasični Kazimirov efekat javlja se u statičnom sistemu, dok dinamički nastaje kada se granice kvantnog sistema menjaju izuzetno brzo. U praksi to znači da naučnici koriste superprovodljive sklopove ili optičke rezonatore u kojima granice sistema vibriraju ili se menjaju velikom brzinom. U takvim uslovima kvantne fluktuacije dobijaju dodatnu energiju i iskaču iz virtuelnog stanja i pretvaraju se u stvarne čestice. U eksperimentu iz 2011. su, koristeći sofisticirane kvantne uređaje, precizno pratili kako i kada nastaju čestice svetlosti – fotoni i kako se njihova svojstva menjaju. Time su prvi put dobili jasnu sliku prelaza čestica iz virtuelnog u stvarno stanje.
Ovakvi eksperimenti imaju dalekosežne posledice. Pre svega, potvrđuju teorijske modele kvantne elektrodinamike, jedne od najtačnijih teorija u povesti fizike. Osim toga, oni otkrivaju procese koji su mogli igrati ključnu ulogu u ranom svemiru. Naime, tokom inflacije, ranog razdoblja naglog širenja svemira neposredno nakon Velikog praska, kvantne fluktuacije su se rastegnule i pretvorile u strukture koje su kasnije postale galaksije. Drugim rečima, sve što danas vidimo verovatno potiče iz kvantnih šumova vakuuma. Zbog svega navedenog, fizičari danas sve ozbiljnije razmatraju hipotezu prema kojoj je ceo svemir mogao nastati iz kvantnog vakuuma. Ako čestice mogu nastati iz fluktuacija, zašto ne i ceo svemir?
(AI ilustracija)
(Indeks)
