Vaakum: Kas on võimalik midagi tühjast luua?
Esiteks pomm: kui keskkooli õpetaja ütles, et vaakumis pole midagi olemas, lihtsustas ta seda teavet pedagoogilistel põhjustel. Klassiruumi sisu puhul on see väide tavaliselt enam kui piisav. Kuid tõde on see, et nagu paljud teisedki kolledži ained, peidab see ka distsipliini edasijõudnute teemades uuritud saladusi. Selle tõestuseks on 18. veebruaril 2012 ajakirjas New Scientist ilmunud artiklis „Vaakumpakendatud” avaldatud katsed.
Ehkki vaakumis pole asja, võtab kvantfüüsika arvesse asjaolu, et need piirkonnad sisaldavad minimaalselt energiat, aga ka elektromagnetilisi ja gravitatsioonivälju. Seetõttu ei saa vaakumit pidada täiesti tühjaks.
Lisaks on nendes ruumides olemas ka osakesi ja antiosakesi, mida kogu aeg moodustatakse ja hävitatakse. Neid kvant-loomaaia veidraid "väikeseid olendeid" - tuntud kui virtuaalsed osakesed (või antiosakesed) - ei ole võimalik eraldi tuvastada. Kuid need on võimelised tekitama mõõdetavaid reaktsioone, näiteks Casimiri efekt. Seda osakeste vilkurit nimetatakse kvantvaakumi kõikumiseks.
Casimiri efekti mõistmine
1948. aastal püüdis Hollandi füüsik Hendrik Casimir mõista, kuidas kolloidid eksisteerisid, st kuidas hoida segu, milles üht tüüpi aine on hajutatud teises, näiteks rasvagloobused piima vesilahuses. Sellise keskkonna molekulide vahelised jõud langevad kaugusega kiiremini kui traditsioonilised arvutused, mis põhineksid van der Walls'i tugevusel.
Probleemi adekvaatse lahenduse leidmiseks järgis Casimir füüsiku nõuandeid, mille tööd olid kvantfüüsika loomisel üliolulised, Niels Bohr: kaaluge vaakumi mõju segu molekulide vahel. Ilmselt oleks energiakõikumiste arvutamine kolloidi keerulises molekulaarstruktuuris võimatu. Nii pakkus Casimir välja lihtsama mudeli: kaks ideaalselt joondatud metallplaati, mis hõljuvad vaakumis.
Kuna vaakum on täis energiat sisaldavaid lainevälju, on nende lainete täituvus kahe plaadi vahel piiratum, põhjustades selles ruumis vähem osakeste tekkimist. Selle tagajärjel on kahe plaadi energiatihedus madalam kui avatud ruumis, see loob rõhu erinevuse, mis surub ühe plaadi teise vastu.
See jõud on aga väga väike: kaks eraldi 10-nanomeetrist plaati tunnevad jõudu, mis on võrreldav atmosfääri kaaluga meie pea kohal. Seega on selle jõu olemasolu tõestamine väga keeruline, kuna seda võivad muuta sama seguga töötavad palju suuremad jõud.
Alles 1996. aastal suutis Ameerika Ühendriikide Washingtoni ülikooli füüsik Steven Lamoreaux hoolikalt isoleerida kõik muud katsele mõju avaldada võivad mõjud ja leidis seeläbi pisikese jäägijõu, mis mõjutab metallplaat ja sfääriline lääts, surudes üksteise vastu. Seega tundus tõestatud, et vaakumi toimimine oli reaalne.
Sellest alates hakkasid meie olemusetuse kontseptsiooni muutma ka teised väga intrigeerivad katsed. Lamoreaux ja tema meeskond kinnitasid ka näiteks, et temperatuuri tõustes suurenesid kvantvaakumi kõikumised. Kuid veelgi intrigeerivamaid tegusid pidi tulema.
Ja las valgust tehakse!
2011. aasta novembris otsustasid Rootsi Chalmersi tehnikaülikooli teadlased kasutada Casimiri efekti ideesid vastupidiselt, nagu pakkus välja Ameerika füüsik General Moore 1970. aastal: kui me suudaksime kahte peeglit kiiresti üksteise taha liigutada, siis kõikumine Nendevahelises ruumis leiduvat kvantti võib purustada nii ägedalt, et selle energia vabaneb footonite kujul. Teooria sai tuntuks kui dünaamiline Casimiri efekt.
Praktikas ei saanud isegi väga väikest peeglit nii kiiresti teisaldada, nii et füüsik Chris Wilson ja tema meeskond tegid Moore'i ideedes mõned muudatused, et neid ellu viia: efekti simuleerimiseks kasutasid nad kiiresti muutuvaid elektrivoolusid. peeglid, mida saab kiirendada umbes ¼ valguse kiiruseni. Tulemus oli ootuspärane: footonipaaride tootmine, mis tekkisid vaakumist ja mida oli võimalik mõõta mikrolainekiirgusena.
Kuid lisaks Casimiri efekti olemasolule olid tolleaegsele eksperimendile vastu ka teised füüsikud, kes ei usu, et eksperiment tegelikult Moore'i ideid simuleeris. Wilson kaitseb ennast sellega, et eksperiment viidi läbi kõigi vajalike ettevaatusabinõude ja testidega, sealhulgas tõendiga, et need algasid isegi vaakumist. Ja ajakirjale New York antud intervjuus kasutas ta olukorda ära ja kinnitas konkurentidele: "Mõne inimese jaoks on dünaamiline Casimiri efekt alati kiiresti liikuval tõelisel peeglil."
Täpselt nagu Casimiri efekt, kuid erinevalt
Veel ühe kurioosse eksperimendi viisid läbi Steven Johnson ja tema kolleegid Massachusettsi tehnoloogiainstituudis (MIT). Nad arvutasid, et Casimiri efekt võib olla ümberpööratud, st selle asemel, et toimida omamoodi liimina kahele nanomõõtmelisele objektile, võiks seda kasutada vasturõhu avaldamiseks ehk ühe objekti teisest eemale tõukamiseks.
Selleks muutsid füüsikud metallplaatide kuju, lisades tõmblukuga hambaid meenutavad struktuurid. See teoreetiliselt muudaks nendevahelise jõu eemaletõukavaks. Portugalis Coimbra ülikoolis korraldatud hilisemas uuringus teoreetiliselt teadlased Stanislav Maslovski ja Mário Silveirinha teoreetiliselt sarnast efekti teoreetilisteks muutusteks andsid metallilised nanokehad, mis tekitasid metallist nanoribasid levitava tõrjuva jõu.
Praktikas võib selline efekt viia näiteks nano-mõõtmetega hammasrataste ja mootorite loomiseni, mis on võimelised töötama osade vahel hõõrdumata. Kuid selle rakendamine tähendaks uute tööriistade väljatöötamist, mis võimaldaksid neid nanoosakesi joondada nii, et vaakum nende aatomite vahel ei põhjustaks kvanttilist kõikumist eri suundades.
Vaakum ja teaduslik skeptitsism
Seega võib järeldada, et viimastel aastatel tehtud katsed on andnud aastakümnete taguste teooriate suurema usutavuse, näidates, et nii kvant kõikumised kui ka Casimiri efekt on reaalsed. Sellegipoolest ei ostnud kõik füüsikud seda ideed.
Paljud Casimiri efekti või kvantvaakumikõikumiste vastased teadlased väidavad, et need teemad on populaarseks saanud, kuna nende taga olev matemaatika on nii lihtne. 1965. aasta Nobeli füüsikapreemia laureaadi Julian Schwingeri jaoks tekivad need mõjud aine laengute, mitte vaakumi enda kvant interaktsiooni tõttu.
Võib juhtuda, et nende nähtuste tõestamine on omamoodi paradoks: vaakumi energia olemasolu saab tõestada ainult selle lisamisega ja riskime eksperimentide valesti esitamisega. Vahepeal loodab Chris Wilson, kes pole midagi valgustanud, loodan, et teised uurimisrühmad suudavad tema meeskonna leitud andmeid põhjendada ja pakuvad veidi rohkem tuge võimalusele, et teatavad nähtused võivad tegelikult ka reaalsed olla.
Nii tüütu kui tõendusprotsess on, muudab just see varjatud skeptitsism teaduse nii usaldusväärseks. Lõpuks on see isegi hea, kuna see võib tulevikus anda selliseid huvitavamaid katseid, nagu need on.
Soovitatav
