Έτσι αυτό το κενό παύει να είναι κενό
Το κενό είναι ένα μέρος όπου, ακόμα κι αν δεν μπορείς να το δεις, συμβαίνουν πολλά. Ωστόσο, για να μάθουμε τι ακριβώς απαιτεί τόση ενέργεια που μέχρι πρόσφατα φαινόταν αδύνατο για τους επιστήμονες να ψάξουν στον κόσμο των εικονικών σωματιδίων. Όταν κάποιοι σταματούν σε αυτή την κατάσταση, για άλλους το αδύνατο είναι ένα κίνητρο για να προσπαθήσουν.
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ο κενός χώρος είναι γεμάτος με εικονικά σωματίδια που πάλλονται μεταξύ του είναι και του μη όντος. Είναι επίσης εντελώς μη ανιχνεύσιμα - εκτός κι αν είχαμε κάτι ισχυρό για να τα βρούμε.
— Συνήθως, όταν οι άνθρωποι μιλούν για ένα κενό, εννοούν κάτι που είναι εντελώς άδειο, είπε ο θεωρητικός φυσικός Mattias Marklund από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers στο Γκέτεμποργκ της Σουηδίας, στο τεύχος Ιανουαρίου του NewScientist.
Αποδεικνύεται ότι το λέιζερ μπορεί να δείξει ότι τελικά δεν είναι τόσο άδειο.
Ηλεκτρόνιο με τη στατιστική έννοια
Τα εικονικά σωματίδια είναι μια μαθηματική έννοια στις κβαντικές θεωρίες πεδίου. Αυτά είναι φυσικά σωματίδια που εκδηλώνουν την παρουσία τους μέσω αλληλεπιδράσεων, αλλά παραβιάζουν την αρχή του περιβλήματος της μάζας.
Τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται στα έργα του Ρίτσαρντ Φάινμαν. Σύμφωνα με τη θεωρία του, κάθε φυσικό σωματίδιο είναι στην πραγματικότητα ένα συγκρότημα εικονικών σωματιδίων. Ένα φυσικό ηλεκτρόνιο είναι στην πραγματικότητα ένα εικονικό ηλεκτρόνιο που εκπέμπει εικονικά φωτόνια, τα οποία διασπώνται σε εικονικά ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρούν χρησιμοποιώντας εικονικά φωτόνια - και ούτω καθεξής άπειρα. Ένα «φυσικό» ηλεκτρόνιο είναι μια συνεχής διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ εικονικών ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων, φωτονίων και ίσως άλλων σωματιδίων. Η «πραγματικότητα» ενός ηλεκτρονίου είναι μια στατιστική έννοια. Είναι αδύνατο να πούμε ποιο σωματίδιο αυτού του συνόλου είναι πραγματικά πραγματικό. Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι το άθροισμα των φορτίων όλων αυτών των σωματιδίων έχει ως αποτέλεσμα το φορτίο του ηλεκτρονίου (δηλαδή, για να το θέσω απλά, πρέπει να υπάρχει ένα περισσότερο εικονικό ηλεκτρόνιο από τα εικονικά ποζιτρόνια) και ότι το άθροισμα των μαζών του όλα τα σωματίδια δημιουργούν τη μάζα του ηλεκτρονίου.
Ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων δημιουργούνται στο κενό. Οποιοδήποτε σωματίδιο με θετικό φορτίο, π.χ. ένα πρωτόνιο, θα προσελκύσει αυτά τα εικονικά ηλεκτρόνια και θα απωθεί τα ποζιτρόνια (χρησιμοποιώντας εικονικά φωτόνια). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πόλωση κενού. Ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που περιστρέφονται από ένα πρωτόνιο
δημιουργούν μικρά δίπολα που αλλάζουν το πεδίο του πρωτονίου με το ηλεκτρικό τους πεδίο. Το ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου που μετράμε επομένως δεν είναι το φορτίο του ίδιου του πρωτονίου, αλλά ολόκληρου του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων των εικονικών ζευγών.
Λέιζερ στο κενό
Ο λόγος που πιστεύουμε ότι υπάρχουν εικονικά σωματίδια ανάγεται στα θεμέλια της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED), ενός κλάδου της φυσικής που προσπαθεί να εξηγήσει τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με τα ηλεκτρόνια. Από την ανάπτυξη αυτής της θεωρίας στη δεκαετία του 30, οι φυσικοί αναρωτιούνται πώς να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα των σωματιδίων των οποίων η ύπαρξη είναι μαθηματικά απαραίτητη αλλά δεν μπορεί να φανεί, να ακουστεί ή να αισθανθεί.
Το QED δείχνει ότι θεωρητικά, εάν δημιουργήσουμε ένα αρκετά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, τα εικονικά ηλεκτρόνια που τα συνοδεύουν (ή αποτελούν ένα στατιστικό συγκρότημα που ονομάζεται ηλεκτρόνιο) θα αποκαλύψουν την παρουσία τους και θα είναι δυνατό να τα ανιχνεύσουμε. Η ενέργεια που απαιτείται για αυτό πρέπει να φτάσει και να ξεπεράσει ένα όριο που ονομάζεται όριο Schwinger, πέρα από το οποίο, όπως μεταφορικά τίθεται, το κενό χάνει τις κλασικές του ιδιότητες και παύει να είναι «άδειο». Γιατί δεν είναι τόσο απλό; Διότι η απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας πρέπει, σύμφωνα με τις παραδοχές, να είναι ίση με τη συνολική ενέργεια που παράγεται από όλα τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας στον κόσμο - φορές άλλο ένα δισεκατομμύριο.
Το πράγμα φαίνεται πέρα από το χέρι μας. Όπως αποδεικνύεται, ωστόσο, αυτό δεν ισχύει απαραίτητα εάν χρησιμοποιήσουμε την τεχνική λέιζερ των οπτικών παλμών εξαιρετικά σύντομων, υψηλής έντασης, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 80 από τους περσινούς νικητές του βραβείου Νόμπελ, Ζεράρ Μουρού και Ντόνα Στρίκλαντ. Ο ίδιος ο Mourou είπε ανοιχτά ότι οι δυνάμεις giga, tera και ακόμη και petawatt που επιτυγχάνονται από αυτές τις υπερβολές λέιζερ δημιουργούν μια ευκαιρία να σπάσει το κενό. Οι ιδέες του ενσωματώθηκαν στο έργο Extreme Light Infrastructure (ELI), το οποίο υποστηρίχθηκε από ευρωπαϊκά κονδύλια και αναπτύχθηκε στη Ρουμανία. Υπάρχουν δύο λέιζερ 10 petawatt κοντά στο Βουκουρέστι που οι επιστήμονες θέλουν να χρησιμοποιήσουν για να ξεπεράσουν το όριο Schwinger.
Ωστόσο, ακόμα κι αν είναι δυνατό να ξεπεραστούν οι ενεργειακές περιορισμοί, το αποτέλεσμα -και αυτό που θα φανεί τελικά στα μάτια των φυσικών- παραμένει πολύ αβέβαιο. Στην περίπτωση των εικονικών σωματιδίων, η μεθοδολογία της έρευνας αρχίζει να αποτυγχάνει και οι υπολογισμοί δεν έχουν πλέον νόημα. Ένας απλός υπολογισμός δείχνει επίσης ότι δύο λέιζερ ELI παράγουν πολύ λίγη ενέργεια. Ακόμη και τέσσερις συνδυασμένες δοκοί εξακολουθούν να είναι 10 φορές λιγότερες από ό,τι χρειάζεται. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν αποθαρρύνονται από αυτό, επειδή θεωρούν αυτό το μαγικό όριο όχι ως ένα απότομο όριο μίας χρήσης, αλλά ως μια σταδιακή περιοχή αλλαγής. Έτσι ελπίζουν σε κάποια εικονικά εφέ ακόμη και με χαμηλότερες δόσεις ενέργειας.
Οι ερευνητές έχουν διαφορετικές ιδέες για την ενίσχυση των ακτίνων λέιζερ. Ένα από αυτά είναι η αρκετά εξωτική ιδέα της ανάκλασης και της ενίσχυσης καθρεφτών που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Άλλες ιδέες περιλαμβάνουν την ενίσχυση των δεσμών με σύγκρουση δέσμης φωτονίων με δέσμες ηλεκτρονίων ή σύγκρουση ακτίνων λέιζερ, η οποία λέγεται ότι πραγματοποιείται από επιστήμονες από το κινεζικό ερευνητικό κέντρο Station of Extreme Light στη Σαγκάη. Το μεγάλο φωτόνιο ή επιταχυντής ηλεκτρονίων είναι μια νέα και ενδιαφέρουσα έννοια που αξίζει να παρατηρηθεί.
