Þannig að tómið hættir að vera tómt
Tómarúm er staður þar sem margt gerist, jafnvel þótt þú sjáir það ekki. Hins vegar tekur það svo mikla orku að finna út hvað nákvæmlega að þar til nýlega virtist ómögulegt fyrir vísindamenn að skoða heim sýndaragnanna. Þegar sumir hætta í slíkum aðstæðum er ómögulegt fyrir aðra að hvetja þá til að prófa.
Samkvæmt skammtafræðinni er tómt rými fyllt af sýndarögnum sem pulsast á milli vera og ekki-veru. Þeir eru líka algjörlega ógreinanlegir - nema við hefðum eitthvað öflugt til að finna þá.
„Venjulega, þegar fólk talar um tómarúm, meinar það eitthvað sem er algjörlega tómt,“ sagði fræðilegi eðlisfræðingurinn Mattias Marklund við Chalmers Tækniháskólann í Gautaborg í Svíþjóð í janúarhefti NewScientist.
Það kemur í ljós að leysirinn getur sýnt að hann er alls ekki svo tómur.
Rafeind í tölfræðilegum skilningi
Sýndaragnir eru stærðfræðilegt hugtak í skammtasviðskenningum. Þetta eru eðlisfræðilegar agnir sem sýna nærveru sína með samskiptum, en brjóta í bága við meginregluna um skel massans.
Sýndaragnir birtast í verkum Richard Feynman. Samkvæmt kenningu hans er hver eðlisfræðileg ögn í raun samsteypa sýndaragna. Líkamleg rafeind er í raun sýndarrafeind sem gefur frá sér sýndarljóseindir, sem rotna í sýndarrafeinda-póseineindir, sem aftur hafa samskipti við sýndarljóseindir - og svo framvegis endalaust. "Eðlisfræðilega" rafeindin er viðvarandi ferli víxlverkunar milli sýndarrafeinda, positróna, ljóseinda og hugsanlega annarra agna. „Raunveruleiki“ rafeindarinnar er tölfræðilegt hugtak. Það er ómögulegt að segja hvaða hluti af þessu setti er raunverulega raunverulegur. Það er aðeins vitað að summa hleðslu allra þessara agna leiðir til hleðslu rafeindarinnar (þ.e.a.s. einfaldlega, það verður að vera einni sýndarrafeind í viðbót en sýndarpósírónur) og að summa massans allra agna myndar massa rafeindarinnar.
Rafeinda-póstrónupör myndast í lofttæminu. Sérhver jákvætt hlaðin ögn, t.d. róteind, mun laða að þessar sýndarrafeindir og hrinda frá sér positrónum (með hjálp sýndarljóseinda). Þetta fyrirbæri er kallað tómarúmskautun. Rafeinda-póstrónupör sem róteind snúast um
þær mynda litla tvípóla sem breyta sviði róteindarinnar með rafsviði sínu. Rafhleðsla róteindarinnar sem við mælum er því ekki róteindarinnar sjálfrar heldur alls kerfisins, þar með talið sýndarpörin.
Laser inn í tómarúm
Ástæðan fyrir því að við teljum að sýndaragnir séu til nær aftur til grunnþátta skammtafræðinnar (QED), grein eðlisfræðinnar sem reynir að útskýra samspil ljóseinda við rafeindir. Allt frá því að þessi kenning var þróuð á þriðja áratug síðustu aldar hafa eðlisfræðingar velt því fyrir sér hvernig eigi að bregðast við vandamálinu við agnir sem eru stærðfræðilega nauðsynlegar en hvorki sjást, heyrast né skynja þær.
QED sýnir að fræðilega séð, ef við búum til nægilega sterkt rafsvið, þá munu sýndar rafeindirnar (eða sem mynda tölfræðilega samsteypu sem kallast rafeind) sýna nærveru þeirra og það verður hægt að greina þær. Orkan sem þarf til þess verður að ná og fara yfir mörkin sem kallast Schwinger mörkin, en þar fyrir utan, eins og það er lýst í óeiginlegri merkingu, missir tómarúmið klassíska eiginleika sína og hættir að vera „tómt“. Af hverju er þetta ekki svona einfalt? Samkvæmt forsendum þarf tilskilið orkumagn að vera jafn mikið og heildarorkan sem framleidd er í öllum virkjunum í heiminum - á annan milljarð sinnum.
Hluturinn virðist utan seilingar okkar. Eins og það kemur í ljós, þó ekki endilega ef notast er við leysitækni af ofurstuttum, hástyrkum sjónpúlsum, sem þróuð voru á níunda áratugnum af Nóbelsverðlaunahöfum síðasta árs, Gérard Mourou og Donna Strickland. Mourou sagði sjálfur opinskátt að gíga-, tera- og jafnvel petawatta kraftar sem náðust í þessum leysisofurskotum skapi tækifæri til að brjóta tómarúmið. Hugmyndir hans voru útfærðar í Extreme Light Infrastructure (ELI) verkefninu, stutt af evrópskum sjóðum og þróað í Rúmeníu. Það eru tveir 80 petawatta leysir nálægt Búkarest sem vísindamenn vilja nota til að sigrast á Schwinger mörkunum.
Hins vegar, jafnvel þótt okkur takist að rjúfa orkutakmarkanir, er niðurstaðan - og það sem mun að lokum birtast í augum eðlisfræðinga - mjög óviss. Þegar um sýndaragnir er að ræða byrjar rannsóknaraðferðafræðin að mistakast og útreikningarnir eru ekki lengur skynsamlegir. Einfaldur útreikningur sýnir líka að ELI leysirarnir tveir framleiða of litla orku. Jafnvel fjórir samsettir búntar eru enn 10 sinnum færri en þörf er á. Hins vegar eru vísindamenn ekki hugfallnir af þessu, vegna þess að þeir telja þessi töframörk ekki skörp einskiptismörk, heldur smám saman svæði breytinga. Þannig að þeir vonast eftir sýndaráhrifum jafnvel með minni orkuskammta.
Vísindamenn hafa ýmsar hugmyndir um hvernig megi styrkja leysigeislana. Ein þeirra er frekar framandi hugtak að endurkasta og magna spegla sem ferðast á ljóshraða. Aðrar hugmyndir eru meðal annars að magna geislana með því að rekast á ljóseindageisla við rafeindageisla eða rekast á leysigeisla, sem vísindamenn við kínversku rannsóknarstöðina fyrir öfgaljós í Shanghai eru sagðir tilbúnir til að framkvæma. Mikill árekstur ljóseinda eða rafeinda er nýtt og áhugavert hugtak sem vert er að skoða.
