Niczego nie ma. Problematyczna kwestia próżni
Jedną z najbardziej enigmatycznych zasad kwantowych jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, którą powszechnie tłumaczy się w ten sposób, że nie można jednocześnie idealnie zmierzyć położenia i pędu cząstki. Wynika z niej konsekwentnie, że nie można z dowolna dokładnością zmierzyć energii czegokolwiek, a im krótszy czas pomiaru, tym mniej dokładny pomiar. W skrajnym przypadku próba dokonania pomiaru w czasie bliskim zeru prowadzi do nieskończenie niedokładnego wyniku.
Pomiar ilości energii w danym miejscu, nawet jeśli ta energia ma wartość zerową, nie wykaże, że jest to „nic” wystarczająco dokładnie. Czasami przy pomiarze oczekiwane zero daje wartość niezerową. I nie jest to tylko problem pomiaru. To cecha rzeczywistości. W krótkich przedziałach czasu zero nie zawsze jest zerem. Gdy połączymy ten nieintuicyjny fakt ze słynnym równaniem Einsteina E = mc², otrzymamy jeszcze dziwniejszą konsekwencję. Równanie Einsteina, jak wiadomo, mówi, że energia i materia to różne postacie tego samego. W połączeniu z teorią kwantową oznacza to, że w miejscu, które teoretycznie jest całkowicie puste i pozbawione energii, przestrzeń może na krótko fluktuować do niezerowej energii i ta tymczasowa energia może tworzyć cząstki materii i antymaterii.
Tak więc na poziomie kwantowym pusta przestrzeń nie jest pusta. W rzeczywistości jest to miejsce tętniące życiem, z subatomowymi cząsteczkami pojawiającymi się i znikającymi w sposób, jak się wydaje, całkowicie przypadkowy. To pojawianie się i znikanie kojarzy się z zachowaniem piany na wierzchu świeżo nalanego napoju gazowanego, z pojawiającymi się i znikającymi bąbelkami - stąd właśnie termin „piana kwantowa” (1).
Zdjęcie: stock.adobe.com
Dwa zwierciadła w próżni
Piana kwantowa nie jest jedynie pojęciem teoretycznym. W pomiarach jest to całkiem realne zjawisko. Jednym z dowodów jest wykrywanie właściwości magnetycznych cząstek subatomowych, takich jak elektrony. Gdyby piana kwantowa nie istniała, elektrony powinny być magnesami o określonej sile. Jednak podczas pomiarów okazuje się, że siła magnetyczna elektronów jest nieco wyższa niż przewidywana (o około 0,1 proc.). Po uwzględnieniu efektu piany kwantowej teoria i pomiary zgadzają się idealnie, z dokładnością do dwunastu cyfr.
Jeśli koncepcja piany kwantowej jest słuszna, wówczas próżnia otaczająca płyty jest wypełniona subatomowych cząstkami, które pojawiają się i znikają. Cząstki te mają różne energie, przy czym najbardziej prawdopodobna energia jest bardzo mała, ale czasami pojawiają się wyższe energie. Najbardziej znaną demonstracją istnienia piany kwantowej jest efekt Casimira, nazwany tak na cześć holenderskiego fizyka Hendrika Casimira (2), podczas jego pracy w Philips Research Laboratories w Eindhoven nad roztworami koloidalnymi. Wkrótce potem Casimir zauważył, że wynik ten można interpretować w kategoriach fluktuacji próżni. Jego modelowy eksperyment wykorzystuje dwa zwierciadła ustawione naprzeciwko siebie w próżni, które jak się okazało, wzajemnie przyciągają się przez zwykłą obecność próżni. Zjawisko to jest obecnie nazywane efektem Casimira, podczas gdy siła pomiędzy zwierciadłami jest znana jako siła Casimira.
Kiedy efekt Casimira został po raz pierwszy zauważony, w 1948 roku, przy użyciu ówczesnego sprzętu był bardzo trudny do precyzyjnego zmierzenia. Jeden z pierwszych eksperymentów pomiarowych został przeprowadzony w 1958 roku przez Marcusa Spaarnaya w Philips w Eindhoven, który badał siłę Casimira między dwoma płaskimi, metalowymi lustrami wykonanymi z aluminium, chromu lub stali. Zmierzył siłę za pomocą wagi sprężynowej.
Zaawansowany sprzęt powstający w kolejnych dekadach pozwolił na dokładniejsze badanie efektu Casimira. Nowa generacja pomiarów rozpoczęła się w 1997 roku. Steve Lamoreaux, który pracował wówczas na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, zmierzył siłę Casimira między soczewką sferyczną o średnicy 4 cm a optyczną płytką kwarcową o średnicy około 2,5 cm, z których obie były pokryte miedzią i złotem. Thomas Ederth z Królewskiego Instytutu Technologii w Sztokholmie wykorzystał mikroskop sił atomowych. Zmierzył on siłę pomiędzy dwoma pokrytymi złotem cylindrami, które były ustawione względem siebie pod kątem 90° i oddalone od siebie o zaledwie 20 nm. Jego wyniki zgadzały się z teorią z dokładnością do 1 proc.
Chociaż siła Casimira jest zbyt mała, aby można ją było zaobserwować w przypadku zwierciadeł oddalonych od siebie o kilka metrów, można ją zmierzyć, jeśli lustra znajdują się w odległości mikronów od siebie. Na przykład, dwa lustra o powierzchni 1 cm² oddzielone odległością 1 µm mają przyciągającą siłę Casimira około 10–7 N, mniej więcej tyle, ile wynosi ciężar kropli wody o średnicy pół milimetra. Chociaż siła ta może wydawać się niewielka, w odległościach poniżej mikrometra siła Casimira staje się najsilniejszą siłą między dwoma obojętnymi elektrycznie obiektami. Przy odległości 10 nm, około sto razy większej niż typowy rozmiar atomu, efekt Casimira wytwarza równowartość jednej atmosfery ciśnienia.
Przez wiele lat efekt Casimira był jedynie teoretyczną ciekawostką. Jednak zainteresowanie tym zjawiskiem rozkwitło w ostatnich latach, gdy fizycy doświadczalni zdali sobie sprawę, że siły na tym poziomie wpływają na działanie mikromechanicznych urządzeń (MEMS). Mowa o „inteligentnych” urządzeniach o mikronowych rozmiarach, w których elementy mechaniczne i ruchome części, czujniki i siłowniki, są wycięte w krzemowym podłożu, a następnie podłączane do urządzenia w celu przetwarzania informacji, które wykrywa lub napędza ruchy jego części mechanicznych. MEMS mają wiele możliwych zastosowań w nauce i inżynierii i są już wykorzystywane jako czujniki ciśnienia w samochodowych poduszkach powietrznych. Ponieważ urządzenia MEMS są wytwarzane w skali mikronowej i submikronowej, siła Casimira może powodować sklejanie się maleńkich elementów w urządzeniu, o czym niedawno poinformował Michael Roukes i współpracownicy z California Institute of Technology. Siła Casimira może być również zaprzężona do pracy w tych systemach.
W ubiegłym roku Federico Capasso i jego zespół z Lucent Technologies pokazali, w jaki sposób siła ta może być wykorzystywana do kontrolowania mechanicznego ruchu urządzenia MEMS. Naukowcy zawiesili płytkę polikrzemową na skrętnym pręcie, skręcającym się poziomym pręcie o średnicy zaledwie kilku mikronów. Kiedy zbliżyli metalizowaną kulę do płytki, przyciągająca siła Casimira między dwoma obiektami sprawiła, że płytka zaczęła się obracać.
Co z tej dygresji o MEMS wynika? Ano nic innego jak wykorzystanie fluktuacji próżni, których efekt Casimira jest wyrazem, do wykonywania określonej pracy. Zatem, w pewnym, sensie wymarzone w science fiction pozyskiwanie energii z „niczego”.
Energia na minusie
Ale przecież „nie można wydobyć energii bezpośrednio z próżni” - głoszą zasady fizyki i naukowy sposób myślenia. „Darmowej” energii nie ma. Z najnowszych eksperymentów, m.in. nad teleportacją kwantową, wynika, że owszem, nie ma energii za darmo, ale można ją pożyczyć z innego miejsca, co sprawia wrażenie, że pojawia się znikąd.
Kilkanaście lat temu Masahiro Hotta, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Tohoku w Japonii, zaproponował metodę zmuszenia próżni do oddania energii. Wówczas jego praca została zignorowana. Byli jednak tacy, którzy przyjrzeli się jego pracy bliżej. W sugerowanym przez niego eksperymencie energia nie była darmowa, lecz pozyskiwana z odległej lokalizacji. Była to w gruncie rzeczy teleportacja energii z jednego miejsca do drugiego. Choć to dziwny sposób, to jednak nie narusza reguł fizyki. W ubiegłym roku naukowcy w końcu teleportowali energię na mikroskopijne odległości w dwóch oddzielnych urządzeniach kwantowych, potwierdzając przypuszczenia Hotty, choć jest wciąż wiele wątpliwości.
Hotta doszedł do swoich wniosków, badając czarne dziury, które kurczą się, emitując promieniowanie splątane z swoim wnętrzem, co można również postrzegać jako wchłanianie przez czarną dziurę ujemnej energii. Uczony zauważył, że splątanie kwantowe jest powiązane z dość kontrowersyjną rzeczą, jaką jest ujemna energia. Potem odkrył, że prosta sekwencja zdarzeń może w rzeczywistości spowodować, że próżnia kwantowa stanie się „energetycznie ujemna”, oddając energię, której nie posiadała, skoro jest ową próżnią.
Fluktuacje próżni w stanie nazywanym przez fizyków podstawowym nie mogą być wykorzystane do zasilania perpetuum mobile, ponieważ, jak się zakłada, fluktuacje w danym miejscu są całkowicie losowe. Można to zilustrować takim teoretycznym przykładem: jeśli wyobrazimy sobie podłączenie baterii kwantowej do próżni, połowa fluktuacji naładowałaby urządzenie, zaś druga połowa rozładowałaby je. Pola kwantowe są jednak splątane - fluktuacje w jednym miejscu mają tendencję do dopasowywania się do fluktuacji w innym miejscu.
W artykule z 2008 roku Hotta opisuje model współpracy dwójki fizyków, Alicji i Boba, w celu wydobycia energii ze stanu podstawowego (próżni) otaczającego Boba. Bob chce naładować tę wyobrażoną baterię kwantową, ale ma dostęp jedynie do próżni. Na szczęście jego koleżanka Alicja ma w pełni wyposażone laboratorium fizyczne w odległym miejscu. Alicje mierzy pole w swoim laboratorium, wstrzykując do niego energię, wyprowadzając je ze stanu podstawowego i poznając jego fluktuacje. Następnie Alicja wysyła Bobowi wiadomość ze swoimi danymi na temat próżni wokół jej lokalizacji, informując, kiedy powinien podłączyć swoją baterię. Gdy Bob przeczyta jej wiadomość, może wykorzystać nowo zdobytą wiedzę do przygotowania eksperymentu, który wydobywa energię z próżni. Bob nie może wydobyć większej dawki energii niż to, co włożyła Alicja, więc energia jest zachowana. Nie ma też wiedzy niezbędnej do wydobycia energii do czasu nadejścia wiadomości od Alicji, więc żaden efekt nie przemieszcza się szybciej niż światło. Protokół teleportacji nie narusza żadnych zasad fizyki.
Dowiedziawszy się o hipotezach Hotty, inny fizyk, Martín-Martínez, zrozumiał, że zejście poniżej stanu podstawowego pachnie trochę jak ujemna energia. W 2017 r. on jego koledzy z kanadyjskiego Uniwersytetu Waterloo zaproponowali metodę odprowadzania energii z kubitów, opartą na magnetycznym rezonansie jądrowym, która wykorzystuje potężne pola magnetyczne i impulsy radiowe do manipulowania stanami kwantowymi atomów w dużej cząsteczce. W środku pandemii przeprowadzono eksperymentalną teleportację energii między dwoma atomami węgla odgrywającymi role Alicji i Boba. Precyzyjnie dostrojona seria impulsów radiowych wprowadziła atomy węgla w szczególny stan podstawowy o minimalnej energii, charakteryzujący się splątaniem między dwoma atomami. Energia punktu zerowego dla systemu została zdefiniowana przez początkową połączoną energię Alicji, Boba i splątania między nimi. Następnie wystrzelili pojedynczy impuls radiowy do Alicji i trzeciego atomu, jednocześnie dokonując pomiaru pozycji Alicji i przesyłając informacje do atomowej „wiadomości tekstowej”. Wreszcie, kolejny impuls wycelowany zarówno w Boba, jak i atom pośredniczący, jednocześnie przesłał wiadomość do Boba i dokonał tam pomiaru.
Powtórzyli ten proces wiele razy, wykonując wiele pomiarów na każdym etapie w sposób, który pozwolił im zrekonstruować właściwości kwantowe trzech atomów podczas całej procedury. W końcu obliczyli, że energia atomu węgla (Bob) zmniejszyła się średnio, a zatem energia została pobrana i uwolniona do środowiska. Stało się tak pomimo faktu, że atom Bob zawsze zaczynał w stanie podstawowym. Trwało to nie dłużej niż 37 milisekund. Normalnie przemieszczenie energii z jednej strony cząsteczki na drugą trwałoby dwadzieścia razy dłużej. Przeprowadzone później kolejne eksperymenty zweryfikowały, że kubit Boba spadł poniżej energii stanu podstawowego.
Są różne koncepcje wykorzystania tego odkrycia. Jedni sądzą, że oprócz pomocy w stabilizacji komputerów kwantowych, pojawiają się opracowania wyjaśniające, jak wbudować teleportację energii w kwantowy internet. Inni ostrzegają, że droga od ujemnych energii do egzotycznych kształtów czasoprzestrzeni jest kręta i niepewna.
Jest w tym wszystkim jeszcze inna dziwna myśl. Pojawia się wrażenie, że niczego nie ma także w tym sensie, że możliwy jest stan, który można by opisać jako „mniej niż nic”. Z drugiej strony zbliża to nas do matematyki i osi liczbowej, na której zero, czyli nic to tylko punktowa granica między wartościami dodatnimi i ujemnymi.
Mirosław Usidus
