Vidul naste particule: experiment in premiera

Fizica gaurilor negre, a crearii particulelor din vidul cosmic, a fost imitata intr-un experiment care a utilizat o simulare in laborator, cu grafen.

Acesta verifica predictia de lunga durata a utilizarii campului electric pentru a genera particule din vidul cuantic.

Vidul cuantic, plin de masa-energie

Exista o stare ipotetica a spatiului numita in fizica vid. Ideea consta in faptul ca vidul este considerat un spatiu complet gol, lipsit de orice materie, energie sau forte. Aceasta stare este ipotetica deoarece nu exista nicaieri in natura.

De fapt, insasi tesatura universului, spatiul, este un mediu substantial, o mare de energie. Fizicianul Paul Dirac – cunoscut pentru ecuatia Dirac, o extensie a ecuatiei Schrodinger – a postulat ca vidul trebuie sa fie umplut cu o mare infinita de energie negativa a electronilor.

Aceasta este cunoscuta sub numele de “Marea Dirac” si este rezultatul solutiilor de energie negativa ale ecuatiei lui Dirac si al predictiei sale ca electronii relativi trebuie sa emita in mod continuu energie (sub forma de fotoni), facandu-i sa scada la valori mai mici de energie.

Acest lucru ar trebui sa poata continua, fara limita, la infinit, electronul trecand in stari tot mai slab energizate.

Dirac a emis ipoteza ca singurul motiv pentru care nu observam ca acest lucru se intampla este ca toate valorile energiei negative sunt deja umplute si, din cauza principiului de excludere a lui Pauli, electronii cu energie pozitiva nu pot ocupa aceste stari deja umplute.

Interesant, acest lucru a condus la predictia pozitronului – omologul electronului in antimaterie – deoarece Dirac a prezis ca o “gaura” sau un nivel neocupat in Marea Dirac ar parea sa provoace „anihilarea” imediata a unui electron, eliberand energia de repaus a electronului sub forma de fotoni energetici.

In imaginea de mai jos, un foton transfera energie unui electron cu energie negativa aflat in Marea Dirac, dandu-i o valoare energetica pozitiva E > 0, lasand o „gaura” cu aceeasi masa ca a electronului, dar cu o sarcina pozitiva. In 1930, Carl Anderson a localizat intr-un experiment aceasta particula numita pozitron.

Teoria campului cuantic

Marea Dirac a fost inlocuita ulterior de teoria campului cuantic in care vidul este umplut cu o mare de particule mult mai cuprinzatoare, astfel incat fiecare pereche de particula-antiparticula fluctueaza constant intre creatie si anihilare intr-un dans fara sfarsit.

In teoria campului cuantic, particulele nu sunt obiecte mici in spatiu, ele sunt aparent manifestari punctuale ale distributiilor spatiale extinse ale excitatiilor campurilor cuantice – mici vartejuri de rezonatoare armonice cuantice care oscileaza continuu energetic prin tot spatiul.

Aceasta energie a spatiului, diferita de zero, nu este minora, fluctuatiile energiei in vid au efecte fizice semnificative care sunt observate intr-o varietate de fenomene precum:

schimbarea Lamb (prevestitorul electrodinamicii cuantice moderne dezvoltata de Julian Schwinger, Richard Feynman si Freeman Dyson);
vibratia, din ecuatia lui Dirac pentru electronii relativi din spațiul liber. Se stie ca exista o interferenta intre starile de energie pozitiva si negativa care produce ceea ce pare a fi o fluctuatie (pana la viteza luminii) a pozitiei unui electron;
gluonii fluctuanti, care reprezinta modul in care hadronii obtin 98% din masa, care nu este atribuita asa-numitului mecanism Higgs (in cromodinamica cuantica, nucleonul este un volum de miliarde de perechi fluctuante de particule anti-quark care se anuleaza toate, cu exceptia a trei dintre ele si acestea interactioneaza cu campul Higgs pentru a da 2% din masa barionului);
efectul Casimir. De fapt, in efectul Casimir dinamic fotonii sunt emisi direct din vidul cuantic.

Vidul, substantial si plin de energie fluctuanta

Atunci de ce nu suntem mai constienti de aceasta mare infinita de energie si de natura substantiala a spatiului?

Un motiv este ca vidul cuantic din spatiul liber este intr-o stare perfecta de echilibru: daca te gandesti la asta in termeni de materie, are un numar infinit de particule si antiparticulele, astfel incat la scara macroscopica pe care o observam, acestea „se anuleaza complet”, si nu exista niciun efect net vizibil.

In mod similar pentru forte, spatiul este curbat infinit pozitiv si curbat infinit negativ, astfel incat la scara macroscopica el pare plat. Doar in conditiile in care exista un gradient in structura vidului sunt observate particule, energie sau forte.

De exemplu, rotatia induce un gradient in structura spatiului. Daca va imaginati spatiul ca fiind compus din mici unitati infinite polarizabile, atunci vortexurile din aceasta plasma cu vid cuantic vor aparea ca substante, avand masa, sarcina si forte de legare precum gravitatia puternica si electromagnetismul.

O alta modalitate de a descrie formarea unui gradient in spatiu este polarizarea in vid. Intr-adevar, s-a prezis de mult timp ca in urma unei polarizari suficiente in vid vor fi emise numeroase particule.

Acesta este cazul efectului Hawking-Unruh, unde curbura gravitationala puternica este sursa gradientului in vid, care provoaca emisia de particule.

Mai este si efectul Schwinger despre care vom discuta in continuare: un camp electric extrem de puternic provoaca polarizarea in vid si are ca rezultat emisia de particule din vidul cuantic.

Efectul Schwinger

In extensia campului cuantic a ideii Marii Dirac, unul dintre modurile energetice ale vidului cuantic este reprezentat de perechile de particule electron-pozitron.

Nu este masurat niciun camp electrostatic la scara macroscopica a vidului din spatiul liber, deoarece sarcina negativa a electronului este echilibrata de sarcina pozitiva a pozitronului.

Cu toate acestea, un camp electric extrem de puternic ar separa particula cu sarcina electrica opusa si antiparticula, oprind anihilarea lor.

Astfel particulele ar persista, ar parea sa iasa din vidul cuantic si vom avea electroni si pozitroni observabili, generati in campul electric extrem de puternic.

Acesta este cunoscut sub numele de efectul Schwinger si a fost formulat pentru prima data de Julian Schwinger cu peste 70 de ani in urma.

In efectul Schwinger, materia este creata dintr-un camp electric puternic, polarizarea in vid determina emisia de perechi de particule electron-pozitron care provoaca dezintegrarea campului electric.

De asemenea, atunci cand particulele sunt produse in acest fel, ele sunt in mod necesar intercorelate cuantic unele cu altele, deoarece sunt formate dintr-o stare singlet (vidul).

Astfel, acest efect este si despre realizarea gaurii de vierme Wheeler, care descrie perechile electron-pozitron ca o gaura de vierme cuantica in structura vidului – efectul Schwinger holografic.

Efectul Schwinger este analog cu radiatia Unruh-Hawking, unde in loc de campul electric este campul gravitational extrem de puternic al unei gauri negre care provoaca separarea perechilor de particule.

In ambele cazuri, se genereaza un gradient in densitatea energiei din vid, ceea ce face ca masa-energia sa fie extrasa din vid. Acesta este un aspect cheie in dezvoltarea tehnologiilor care pot atinge energia cuantica a vidului – generarea unui gradient in structura acestuia.

Birefringenta in vidul cosmic

Intensitatile campului implicate in ambele efecte sunt atat de puternice incat se crede ca apar numai la obiecte astronomice extrem de compacte, masive, de inalta energie, cum ar fi gaurile negre, stelele neutronice si versiunile acestora (magnetarii).

Aceasta proprietate a gaurilor negre, de a genera particule si energie din vidul cuantic, este unul dintre motivele pentru care cercetatorii le considera ca fiind motoare ale crearii de energie-masa.

De fapt, astfel de obiecte astronomice sunt laboratoarele naturale pentru testarea acestor teorii ale crearii materiei in teoria campului cuantic si natura substantiala a vidului.

Stelele neutronice sunt unele dintre cele mai interesante obiecte stelare cunoscute de astronomi. Acestea au cele mai extreme campuri magnetice, cu valori de pana la 1015 G si, cu exceptia gaurilor negre cu masa stelara, sunt cele mai dense stele.

In 2018, observatiile luminii polarizate emise de o stea neutronica au aratat ca aceasta a experimentat birefringenta in vid. Birefringenta este un efect optic care se observa in mod normal in cristale si este utilizat pentru a separa lumina in fascicule separate.

Acest efect apare deoarece undele electromagnetice cu polarizari diferite interactioneaza diferential cu structura electronica a atomilor din reteaua cristalina, in functie de relatia de orientare a acestora.

Campurile electrice si magnetice extrem de puternice ale unei stele neutronice provoaca ruperea simetriei spatiale in structura vidului, dandu-i o faza cristalina si provocand birefringenta luminii.

Prima observare directa a efectului Schwinger

S-a crezut, pana acum, ca intensitatile campului necesare pentru a produce aceste efecte de polarizare in vid ar putea sa apara numai in jurul stelelor neutronice si al gaurilor negre, facand imposibil orice test experimental de laborator.

Intr-un experiment publicat in revista Science, condus de Universitatea din Manchester, o echipa internationala de cercetatori a folosit o proprietate fenomenala a grafenului pentru a observa efectul Schwinger pentru prima data.

Grafenul a devenit un punct central al cercetarii, deoarece are proprietati structurale si electronice remarcabile, de exemplu, poate transporta densitati de curent uriase – aproximativ 108 A/cm², cu aproximativ doua ordine mai mari decat cuprul.

In grafen exista un vid in punctul in care se intalnesc benzile de conductie si de valenta ale materialului si nu sunt prezenti purtatori de sarcina intrinseci.

Astfel, echipa din Manchester condusa de Andre Geim a identificat o semnatura a efectului Schwinger in acest punct Dirac, observand perechi de electroni si “gauri” (echivalentul in stare solida al pozitronilor) creati din vid.

Echipa de cercetare a realizat acest lucru prin construirea de dispozitive formate din superretele de grafen, in care fiecare retea cristalina plana de atomi de carbon este stivuita, dar usor nealiniata, permitand interactiuni electronice neliniare intre atomii din retea.

In aceste superretele de grafen, celula unitara a grafenului se extinde semnificativ, astfel incat cristalul este intins cu un factor de 100 in toate directiile.

Aceasta intindere modifica dramatic proprietatile materialului, permitand cercetatorilor sa produca intensitati ale campului electric de ~ 1018 V/m, ceea ce este cunoscut sub numele de limita Schwinger, peste care campul electromagnetic devine neliniar si incepe sa genereze perechi electron-pozitron.

In mod surprinzator, oamenii de stiinta au observat un alt proces neobisnuit de inalta energie care nu are, pana acum, niciun analog in fizica particulelor sau astrofizica.

Cand acestia au umplut vidul din grafen cu electroni si i-au accelerat la viteza maxima posibila permisa in material (aproximativ 1/300 din viteza luminii), electronii au parut sa devina superluminosi!

Ca si concluzie, cand se intelege ca spatiul, vidul este substantial si plin de energie fluctuanta, nu pare confuz faptul ca particulele sunt generate din el si, chiar mai mult, ca putem utiliza procese naturale pentru a accesa aceasta energie.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: science.org, resonancescience.org, phys.org, scientificamerican.com.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.