Колко тежи “нищо”?

Колко тежи „нищо“?

Експериментът на Архимед ще претегли празното пространство, за да помогне за решаването на голям космически пъзел…

На дълбочина 110 метра под земята в тунела на мина на остров Сардиния, Италия се намира експериментът Архимед

Геологически Сардиния е едно от най-спокойните места в Европа. Островът, заедно със съседа си Корсика, е разположен на особено защитен блок от земната кора. Той е сред най-стабилните зони в Средиземно море. С много малко земетресения в цялата си записана история и само едно (офшорно) събитие, което някога е достигало сравнително лека категория с магнитуд 5.

Физиците избират това геологично място без събития, защото експериментът на Архимед изисква изключителна изолация от външната среда. Това включва високо прецизна експериментална настройка. Тя е предназначена да изследва най-лошото теоретично предсказание в историята на физиката… Количеството енергия в празното пространство, което изпълва Вселената!

Енергията на вакуума

Изследователите могат да изчислят енергията на вакуума по два начина. От космологична гледна точка те могат да използват уравненията на Алберт Айнщайн за общата теория на относителността. Така ще изчислят колко енергия е необходима, за да се обясни фактът, че Вселената се разширява с ускорена скорост. Те могат също така да работят отдолу нагоре, като използват квантовата теория на полето. Така ще предскажат стойността въз основа на масите на всички „виртуални частици“, които могат да възникнат за кратко и след това да изчезнат в „празно“ пространство.

Тези два метода произвеждат числа, които се различават с повече от 120 порядъка (1 последвано от 120 нули). Това е смущаващо абсурдно несъответствие, което има важни последици за нашето разбиране за разширяването на Вселената – и дори за нейната крайна съдба. За да разберат къде е грешката, учените теглят двуметрова цилиндрична вакуумна камера и друго оборудване в стара мина в Сардиния, където ще се опитат да създадат свой собствен вакуум и да претеглят нищото вътре.

Какво има в празното пространство?

Вакуумът не е напълно празен. Това се дължи на една идея в квантовата физика, наречена принцип на неопределеността на Хайзенберг. Принципът гласи, че не можете да определите позицията и скоростта на частица едновременно с каквато и да е точност. Колкото по-точно знаете една стойност, толкова по-малко можете да знаете другата. Този принцип се прилага и за други измервания, като тези, включващи енергия и време. Последиците от него са значителни. Това означава, че природата може да „заема” енергия за изключително кратко време. Тези промени в енергията, известни като вакуумни флуктуации, често приемат формата на виртуални частици. Те могат да се появят от нищото и веднага да изчезнат.

Вакуумните колебания трябва да спазват някои правила. Единичен електрически заряд, например, не може внезапно да се появи там, където не е имало такъв. Това би нарушило закона за запазване на заряда. Това означава, че само електрически неутрални частици като фотони могат да изскочат от вакуума сами. Електрически заредените частици трябва да се появят в двойка с техните античастици. Електрон, например, може да се появи заедно с позитрон, който е положително зареден. Двата заряда взаимно се компенсират, за да се запази общият заряд нула. Резултатът е, че вакуумът непрекъснато се запълва с поток от бръмчащи наоколо краткотрайни частици.

Ефектът на Казимир

Дори ако не можем да уловим тези виртуални частици с детектори, тяхното присъствие е измеримо. Един пример е ефектът на Казимир, предсказан от холандския физик Хендрик Казимир през 1948 г. Според неговите изчисления две противоположни метални плочи трябва да се привличат една друга във вакуум. Дори без да се вземе предвид лекото гравитационно привличане, което упражняват една върху друга. Причината? Виртуални частици.

Наличието на плочите налага определени граници, при които виртуалните частици могат да излязат от вакуума. Например фотони (частици светлина) с определени енергии не могат да се появят между плочите. Това е така, защото металните пластини действат като огледала, които отразяват фотоните напред-назад. Фотони с определени дължини на вълната ще завършат с вълнови падини, припокриващи вълнови гребени, ефективно отменяйки себе си. Други дължини на вълните ще бъдат усилени, ако два вълнови пика се припокриват. Резултатът е, че определени енергии се предпочитат, а други се потискат, сякаш тези фотони никога не са били там. Това означава, че между плочите могат да съществуват само виртуални частици с определени енергийни стойности. Извън тях обаче могат да се появят всякакви виртуални частици.

Измерване енергията на празнотата

Резултатът е, че има по-малко възможности – и следователно по-малко виртуални частици – между плочите, отколкото около тях. Сравнителното изобилие от частици отвън упражнява натиск върху плочите, притискайки ги една към друга. Този ефект, колкото и странно да звучи, е измерим. Физикът Стивън Ламоро потвърждава феномена експериментално във Вашингтонския университет през 1997 г., почти 50 години след предсказанието на Казимир. Сега Калони и колегите му се надяват да използват ефекта на Казимир за измерване на енергията на празнотата.

Тази енергия има важни последствия за Вселената като цяло. Общата теория на относителността ни казва, че енергията (например под формата на маса) изкривява време-пространството. Това означава, че виртуални частици, които променят енергията на вакуума за кратко време, оказват влияние върху формата и развитието на нашата Вселена. Когато тази връзка става ясна за първи път, космолозите се надяват, че ще разрешат основен пъзел в тяхната област – стойността на космологичната константа. Това е съвсем друг начин за описване на енергията в празното пространство.

Космологичната константа

Айнщайн публикува общата си теория на относителността през 1915 г., но скоро осъзнава, че има проблем. Изглежда, че теорията предсказва разширяваща се вселена. Но астрономите по това време вярват, че нашият космос е статичен. Това пространство има фиксиран, непроменлив размер.

Три години след като публикува теорията, Айнщайн открива, че може да добави член, наречен космологична константа, към своите уравнения. И това без да променя основните закони на физиката. При правилната стойност този термин би гарантирал, че Вселената нито се разширява, нито се свива. През 20-те години обаче астрономът Едуин Хъбъл използва най-големия телескоп на времето. Това е телескопа Хукър в обсерваторията Маунт Уилсън в Калифорния, за да забележи, че колкото по-далеч е една галактика от Земята, толкова по-бързо изглежда, че се отдалечава. Тази тенденция разкрива, че пространството всъщност се разширява. Айнщайн отхвърля космологичната константа, наричайки я „глупост“.

Обрат половин век по-късно: Тъмната енергия

Повече от половин век по-късно има друг обрат. Наблюдавайки далечни свръхнови, два изследователски екипа доказват независимо, че Вселената не просто се разширява. Тя го прави с ускорена скорост. Силата, която разделя пространството, оттогава се нарича тъмна енергия. Действа като нещо като противоположност на гравитацията, предотвратявайки евентуалното срутване на всички масивни обекти на едно място. Според теоретичните прогнози тъмната енергия представлява около 68 процента от общата енергия в космоса. В този момент космологичната константа се връща на мода като възможно обяснение за тази мистериозна форма на енергия. А космологичната константа от своя страна се смята, че получава енергията си от вакуума.

Първоначално научната общност е възхитена. Изглежда, че константата на общата теория на относителността е резултат от енергията на виртуалните частици в празното пространство. Две различни области на физиката – относителността и квантовата теория – се събират, за да обяснят ускореното разширяване на Вселената. Но радостта не продължила дълго. Когато учените направили двете изчисления, енергията на вакуума, основана на квантовата теория на полето, се оказва много по-голяма – със 120 порядъка по-висока – от стойността на космологичната константа, получена от астрономите от измерването на разширяването на Вселената. Най-добрият начин за разрешаване на несъответствието бил директно измерване на енергията, присъстваща във вакуума – чрез претегляне на виртуални частици.

Мащаб за Вселена

Ако енергията на вакуума, извлечена от квантовата теория, е вярна, тогава нещо трябва да задушава ефектите на тази енергия върху разширяването на пространството. Ако тази стойност е истинската сила на тъмната енергия, пространството ще се раздува много, много по-бързо. Ако, от друга страна, стойността от космологията е правилна, тогава физиците значително надценяват колко енергия виртуалните частици допринасят за вакуума.

Това, че съществуват вакуумни флуктуации и виртуални частици, е широко прието поне след доказването на ефекта на Казимир. И прогнозираната сила на квантовата теория за флуктуациите също не може да бъде напълно изключена, защото лабораторните експерименти потвърждават теорията с голяма точност. Но има ли шанс да е възможно виртуалните частици всъщност да не гравитират по начина, по който мислим? И следователно да не влияят върху теглото на пространството, както сме склонни да очакваме?

Виртуалните частици и гравитацията

Досега не са правени директни измервания за това как виртуалните частици се държат по отношение на гравитацията. И някои учени предполагат, че те могат да взаимодействат с гравитацията по различен начин от обикновената материя. Например през 1996 г. физиците Александър Каганович и Едуардо Гуенделман от университета Бен-Гурион в Израел разработват теоретичен модел, при който колебанията на вакуума нямат гравитационен ефект. Това може да е така, ако има допълнителни измерения извън обичайните три измерения на пространството и едно на времето, с които сме запознати. Тези скрити измерения могат да променят поведението на гравитацията в много малки мащаби.

И все пак масовите разлики в атомните ядра на елементи като алуминий и платина могат да бъдат обяснени само ако определени квантови флуктуации допринасят за тяхното тегло. Ето защо много физици са убедени, че виртуалните частици взаимодействат с гравитацията точно както обикновените частици. „Има ясни индикации за това, но засега няма пряко доказателство“Това казва теоретичният физик Карло Ровели, който е участвал в теоретичното планиране на експеримента Архимед.

Архимед и ефектът на Казимир

За да проверят дали виртуалните частици взаимодействат с гравитацията като нормална материя, членовете на екипа на Архимед искат да използват ефекта на Казимир. С него те ще претеглят виртуалните частици с прост баланс на лъча. Балансът ще се намира във вакуумната им камера. Това е цилиндричен контейнер от „нищо“, който ще бъде вложен в няколко слоя изолация, за да бъде изключително студен и защитен от външната среда.

Тези слоеве от своя страна ще седят дълбоко в пещерата на Сардиния, защитавайки деликатния апарат от всяко възможно влияние на надземния свят. Бариери, които са необходими, защото учените търсят минимален сигнал. Лекото движение на баланса, когато ефектът на Казимир се включи, променяйки теглото на пробата чрез промяна на популацията от виртуални частици вътре в нея. „По принцип знаем основните принципи, необходими за това от десетилетия“. Това обяснява постдокторантът Лучано Ерико, член на експерименталния екип. „Първоначално се чудех защо ми отне толкова време да се справя с тази задача.“

Предегляне на форми на енергия

През 1929 г. физикът Ричард Толман се чудел дали определени форми на енергия (той се фокусира върху топлината) могат да бъдат претеглени. Седем десетилетия по-късно Калони се замисля дали да прокара идеята още по-напред. След като прочита техническа статия на покойния физик Стивън Уайнбърг, той си представя претеглянето на гравитационния принос на виртуалните частици, използвайки принципа на Архимед. Той гласи, че когато едно тяло е потопено във течност, то изпитва възходяща плаваща сила, равна на теглото на течността, която тялото измества. Ако виртуалните частици имат тегло, тогава кухина от метални плочи във вакуум трябва да изпитва подемна сила. Кухината по същество измества обикновения вакуум с изобилието от виртуални частици с по-лек вакуум, съдържащ по-малко виртуални частици. Определянето на силата на плаващата сила, която зависи от плътността на виртуалните частици, ще разкрие тяхното тегло.

За да измерят тази сила в своята вакуумна тръба, изследователите ще суспендират две проби, направени от различни материали. За да направят това, те ще нагряват двата материала на редовни интервали с около четири градуса по Целзий и след това ще ги охлаждат отново. Тази температурна разлика е достатъчна за една от пробите да превключва напред и назад между свръхпроводяща фаза (когато електричеството тече свободно в материала) и изолационна фаза (когато електричеството не може лесно да тече). Другият материал обаче винаги си остава изолатор. Тъй като проводимостта се променя в първата проба, тя действа като класическата конфигурация с две плочи и броят на възможните виртуални частици в нея варира. По този начин силата на плаваемост периодично се увеличава и намалява при първото тегло. Тази вариация трябва да кара баланса да се колебае на равни интервали, като люлка с две деца, седнали на нея.

Планирането на експеримента

При планирането на експеримента учените трябвало да намерят подходящ материал. Такъв, който може да се нагрява и охлажда равномерно и бързо и който показва силен ефект на Казимир. След като разгледал няколко варианта, екипът избрал свръхпроводящи кристали, наречени купрати. Получените проби са дискове с диаметър около 10 сантиметра, които са дебели само няколко милиметра. Към днешна дата никой не е доказал, че ефектът на Казимир работи при високотемпературни свръхпроводници, но учените залагат, че е така.

Изследователите са монтирали везната така, че да виси свободно в пространството във вакуумната си камера, което ще охлади целия апарат до по-малко от 90 келвина (малко под –180 градуса по Целзий). Самата камера ще бъде опакована в два по-големи метални контейнера – един контейнер, пълен с течен азот, в друг безвъздушен контейнер, който действа като термос. Без този последен пашкул вторият слой ще се нагрее твърде бързо. Цялата конструкция ще бъде около три метра висока, широка и дълбока и ще тежи няколко тона.

Чувствителен сигнал

Калони започва да работи с колеги през 2002 г., за да разработи теоретичен модел за изчисляване на силата на плаваемост за различни експериментални настройки. Те откриват, че силата в реалистичен експеримент би била около 10–16 нютона. Измерването на такава малка сила е като да се опитвате да претеглите ДНК в клетка. „Цифрите са опустошителни“, казва физикът Улф Леонхард от Научния институт Вайцман в Реховот, Израел. „От друга страна, преди 10 години едва ли някой е вярвал, че гравитационните вълни вече могат да бъдат открити.“

Всъщност технологията в днешните детектори за гравитационни вълни, които за първи път наблюдаваха целта си през 2015 г., може да помогне за откриването на малките гравитационни сигнали, които търси експериментът на Архимед. Самият Калони участва в изграждането на италианския детектор на гравитационни вълни VIRGO. „Всичко това е възможно само благодарение на изключително чувствителните инструменти, направени за прецизни измервания на гравитационните вълни“, казва Ерико.

Лазерни системи откриват наклонение в равновесието

За да може да открие незначителните отклонения, които търси, експериментът на Архимед ще използва две лазерни системи. Те споделят някои прилики с настройките на лазер и огледала в детекторите на гравитационни вълни. Първият разделя лазерен лъч на две, като го насочва през разделител на лъчи към двата края на скалата, където се отразяват от прикрепени огледала. След това лъчите се рекомбинират от допълнителни огледала и пътуват до детектор. Ако лъчът е в баланс, двата лъча ще изминат точно същото разстояние. Ако рамото е леко наклонено в една посока, лъчите ще покриват различни разстояния. В този случай гребените и падините на вълните на лазерния лъч ще се срещнат в измервателното устройство по разместен начин, създавайки различен интензитет. Тази система може да открие и най-малките отклонения от равновесието.

Втори набор от лазери измерва посоката на наклона, ако има голямо движение. Опростеният прототип на експеримента, който работи при стайна температура, вече е изключително чувствителен, предвещавайки добре работата на крайния апарат на Архимед. Но дори и с такива сложни системи за измерване, прилагането на експеримента ще бъде трудно. „При експерименти като този целият свят работи срещу вас“, казва физикът Вивишек Судхир от Масачузетския технологичен институт.

За да защитят баланса от външния свят, физиците се нуждаели от място с възможно най-ниска сеизмична активност – следователно Сардиния. Островът има и други предимства. Не е твърде гъсто населено, което поддържа ниско ниво на човешкия шум. Освен това има повече от 250 изоставени мини, много от които вече не се използват, които са привлекателни, защото има още по-малко вибрации под земята и защото температурата вътре в мината е особено стабилна.

Мината Sos Enattos

В крайна сметка екипът се насочва към мината Sos Enattos в източната част на острова, която е затворена от 90-те години на миналия век. Мината има дълга история. В древността римляните са я използвали за добиване на сребърни и цинкови руди. Точно преди да бъде затворена, там работели само около 30 души. След това се погрижили да преустроят подземните проходи, така че да могат да бъдат използвани като музей. Няколко години по-късно в мината започват да се организират екскурзии. В някои райони все още има образователни инсталации, изобразяващи различните стъпки, предприети от миньорите в тяхната работа. На места фигура, която пълни количка с камъни, друга с някой, който прикрепя експлозиви към стена… А другаде сложна реплика на работник, работещ с пневматична бормашина. Днес мината се използва само за научни операции.

Стаята, в която планират да направят експеримента, прилича повече на археологически обект, отколкото на лаборатория, Стените са високи от неукрасен камък и сводест таван на пещерата. „Цялата стая вече е разширена доста, но има още много работа за вършене“, казва Калони. Стаята все още трябва да стане по-голяма, например. Има нужда от вентилационна шахта, подходящ под и др.

Окончателната версия на настройката на баланса е наскоро завършена и изпратена до Сардиния. Вакуумната камера е на тестовата площадка, но двете й външни обвивки все още се произвеждат. Когато пристигнат и когато пещерата е готова, учените ще преместят цялата инсталация в тази тъмна подземна стая и ще започнат да провеждат истински изпитания.

Отнел дълъг процес, за да стигнат учените до този момент. „Трябваха ми около шест месеца, за да планирам подробно настройката“, казва Ерико. „Къде трябва да отиде кой регулиращ винт? Как изглежда идеалният светлоразделител и къде го позиционираме? След това ми отне около година, за да пристигнат всички части и да го сглобя.” А калибрирането, за да накара лазера да удари точно всички тела? „Това всъщност отне само 30 минути. Бях планирал всичко толкова прецизно, че имаше само няколко степени на свобода. Когато всичко наистина се получи така, както си го представях, едва не се разплаках от радост.”

Прецизни измервания

Въпреки внимателното планиране на екипа, измерването ще бъде доста предизвикателно, казва Ламоро, който пръв демонстрира ефекта на Казимир. „Отдавна мечтаех да измеря силата на Казимир между свръхпроводящите плочи“, казва той. „Но правенето на подходяща проба беше извън възможностите ми.“

Прецизните измервания на експеримента трябва да са с фактор 10 по-добри от най-добрите детектори за гравитационни вълни, работещи днес. Това, посочва Карстен Данцман, директор на Института за гравитационна физика Макс Планк в Хановер, Германия. Той намира проекта за увлекателен, но амбициозен.

Ако работи обаче, резултатите ще имат сериозни последствия. „Експериментът е изключително важен“, казва Леонхард. “Това ще докаже, че колебанията на вакуума наистина са реално количество с гравитационен принос.“ Ако измерванията отговарят на очакванията и покажат, че виртуалните частици взаимодействат гравитационно точно като обикновената материя, тогава ще знаем със сигурност, че вакуумните флуктуации трябва да влияят на уравненията на общата теория на относителността на Айнщайн. Следователно те вероятно имат много силен ефект. В такъв случай космолозите ще трябва да обяснят какво потиска влиянието на вакуумната енергия във Вселената.

Ако отклоненията на баланса се окажат различни от очакваното, това може да означава няколко неща. От една страна, такъв резултат може да отвори вратата към изцяло нова физика, ако покаже, че виртуалните частици не гравитират. Но „липсващ сигнал може да се дължи и на това, че няма ефект на Казимир в купратите или той е много слаб“, казва експерименталният физик Маркус Аспелмайер от Виенския университет. „Следователно е още по-важно да се тества отделно от това експериментално.“

Самите изследователи на Архимед не правят никакви прогнози. „Все още не искаме да формулираме хипотеза, за да не фалшифицираме експеримента“, казва Калони. „Но какъвто и резултат да получим, той определено ще бъде вълнуващ.“