Tako ta praznina prestaje biti praznina
Vakuum je mjesto gdje se, čak i ako ga ne vidite, događa mnogo toga. Međutim, da bi saznali što je točno potrebno toliko energije da se donedavno znanstvenicima činilo nemogućim zaviriti u svijet virtualnih čestica. Kada neki ljudi zastanu u takvoj situaciji, drugima je nemoguće potaknuti ih da pokušaju.
Prema kvantnoj teoriji, prazan prostor je ispunjen virtualnim česticama koje pulsiraju između bića i nebića. Također su potpuno neotkriveni - osim ako nismo imali nešto moćno da ih pronađemo.
"Obično, kada ljudi govore o vakuumu, misle na nešto što je potpuno prazno", rekao je teoretski fizičar Mattias Marklund s Tehnološkog sveučilišta Chalmers u Göteborgu u Švedskoj u siječanjskom izdanju NewScientista.
Pokazalo se da laser može pokazati da uopće nije toliko prazan.
Elektron u statističkom smislu
Virtualne čestice su matematički koncept u kvantnim teorijama polja. To su fizičke čestice koje svoju prisutnost manifestiraju interakcijama, ali krše princip ljuske mase.
Virtualne čestice pojavljuju se u djelima Richarda Feynmana. Prema njegovoj teoriji, svaka fizička čestica je zapravo konglomerat virtualnih čestica. Fizički elektron je zapravo virtualni elektron koji emitira virtualne fotone, koji se raspadaju u virtualne parove elektron-pozitron, koji zauzvrat stupaju u interakciju s virtualnim fotonima - i tako u nedogled. "Fizički" elektron je trajni proces interakcije između virtualnih elektrona, pozitrona, fotona i eventualno drugih čestica. "Stvarnost" elektrona je statistički koncept. Nemoguće je reći koji je dio ovog kompleta stvarno stvaran. Poznato je samo da zbroj naboja svih ovih čestica rezultira nabojem elektrona (tj. pojednostavljeno rečeno, mora postojati jedan virtualni elektron više nego virtualnih pozitrona) i da zbroj masa sve čestice stvaraju masu elektrona.
U vakuumu nastaju parovi elektron-pozitron. Svaka pozitivno nabijena čestica, npr. proton, privući će te virtualne elektrone i odbiti pozitrone (uz pomoć virtualnih fotona). Taj se fenomen naziva vakuumska polarizacija. Parovi elektron-pozitron rotirani protonom
tvore male dipole koji svojim električnim poljem mijenjaju polje protona. Električni naboj protona koji mjerimo stoga nije naboj samog protona, već cijelog sustava, uključujući virtualne parove.
Laser u vakuumu
Razlog zbog kojeg vjerujemo da virtualne čestice postoje seže do temelja kvantne elektrodinamike (QED), grane fizike koja pokušava objasniti interakciju fotona s elektronima. Otkako je ova teorija razvijena 30-ih, fizičari se pitaju kako se nositi s problemom čestica koje su matematički potrebne, ali se ne mogu vidjeti, čuti ili osjetiti.
QED pokazuje da će teoretski, ako stvorimo dovoljno jako električno polje, virtualni prateći elektroni (ili koji čine statistički konglomerat koji se zove elektron) otkriti njihovu prisutnost i bit će ih moguće detektirati. Energija potrebna za to mora doseći i prijeći granicu poznatu kao Schwingerova granica, nakon koje, kako se slikovito izražava, vakuum gubi svoja klasična svojstva i prestaje biti "prazan". Zašto nije tako jednostavno? Prema pretpostavkama, potrebna količina energije mora biti onoliko koliko je ukupno proizvedena energija svih elektrana na svijetu – još milijardu puta.
Čini se da je stvar izvan našeg dosega. Kako se pokazalo, međutim, ne nužno ako se koristi laserska tehnika ultrakratkih optičkih impulsa visokog intenziteta, koju su 80-ih razvili prošlogodišnji dobitnici Nobelove nagrade Gérard Mourou i Donna Strickland. Sam Mourou je otvoreno rekao da giga-, tera-, pa čak i petavatt snage postignute u ovim laserskim supersnimcima stvaraju priliku za razbijanje vakuuma. Njegovi koncepti utjelovljeni su u projektu Extreme Light Infrastructure (ELI), koji je podržan europskim fondovima i razvijen u Rumunjskoj. U blizini Bukurešta postoje dva lasera od 10 petavata koje znanstvenici žele upotrijebiti za prevladavanje Schwingerove granice.
Međutim, čak i ako uspijemo razbiti energetska ograničenja, rezultat - i ono što će se na kraju pojaviti u očima fizičara - ostaje vrlo neizvjestan. U slučaju virtualnih čestica, metodologija istraživanja počinje propadati, a izračuni više nemaju smisla. Jednostavan izračun također pokazuje da dva ELI lasera stvaraju premalo energije. Čak su četiri kombinirana paketa i dalje 10 puta manje nego što je potrebno. Međutim, znanstvenike to ne obeshrabruje, jer ovu čarobnu granicu smatraju ne oštrom jednokratnom granicom, već postupnim područjem promjene. Pa se nadaju nekim virtualnim efektima i uz manje doze energije.
Istraživači imaju razne ideje kako ojačati laserske zrake. Jedan od njih je prilično egzotičan koncept reflektiranja i pojačanja zrcala koja putuju brzinom svjetlosti. Ostale ideje uključuju pojačavanje zraka sudarajući fotonske zrake sa zrakama elektrona, ili sudarne laserske zrake, što navodno žele izvesti znanstvenici u istraživačkom centru Kineske stanice ekstremne svjetlosti u Šangaju. Veliki sudarač fotona ili elektrona nov je i zanimljiv koncept koji vrijedi promatrati.
