Κβαντικό κενό και virtual σωματίδια μεσολαβητές

Η έννοια ΚΕΝΟ έχει εξελιχθεί ίσως περισσότερο από κάθε άλλη έννοια της Φυσικής κατά τον εικοστό αιώνα. Από την αρχαιότητα μέχρι τη δεκαετία του 1930 ο όρος ΚΕΝΟ σήμαινε ένα χώρο «όπου δεν υπάρχει τίποτε».

Το ΚΕΝΟ της σύγχρονης Φυσικής είναι όμως κάτι που εμφανίζει εκρηκτική δραστηριότητα. Πρόκειται για μία κοχλάζουσα πηγή ενέργειας και ύλης/μάζας.

Το έργο αρχίζει το 1905 με την εξίσωση του Einstein Ε = mc² η οποία υπόσχεται ότι εάν μπορούσαμε να εναποθέσουμε μια ποσότητα ενέργειας στο «κενό» θα ήταν ίσως δυνατόν να πάρουμε ένα κομμάτι ύλης/μάζας.

Το κομβικό όμως σημείο στην εξέλιξη που οδήγησε στην έννοια «κβαντικό κενό» ήταν η Αρχή της Απροσδιοριστίας του 1927, σύμφωνα με την οποία υπάρχουν ζεύγη ποσοτήτων, όπως θέση και ορμή ή ενέργεια και χρόνος, οι οποίες δεν μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα ανεξάρτητα του πόσο καλή θα είναι συσκευή.

Ο συνδυασμός των ιδεών της Κβαντομηχανικής με εκείνες της Σχετικότητας λειτούργησε γόνιμα στη σκέψη του Paul Dirac και έφερε στον κόσμο την κεντρική ιδέα. Σύμφωνα με αυτή ορισμένες μορφές ύλης μπορούν να δανείζονται ενέργεια από το κενό για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, με την προϋπόθεση ότι η ενέργεια αυτή επιστρέφεται, πριν παραβιαστεί η ΑΡΧΗ της ΑΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΤΙΑΣ, οπότε δεν παραβιάζεται και η ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ . Η δανεισμένη αυτή ΕΝΕΡΓΕΙΑ μπορεί - σύμφωνα με την εξίσωση Ε = mc² - ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΣΕΙ ΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ συγκεκριμένης μάζας, ένα δυνητικό σωματίδιο με ύπαρξη φευγαλέα, το οποίο αργότερα θα χαρακτηριστεί μποζόνιο.

Η ιδέα που έκανε την πρώτη της εμφάνιση με τον Paul Dirac επανήλθε σε μια πιο γενικευμένη μορφή το 1935 οπότε η σχετική πρόταση εστίαζε στο ότι μια αλληλεπίδραση μπορεί να γίνει με ένα σωματίδιο-μεσολαβητή που θα είναι σαν να τον γεννάει το κβαντικό κενό για να επιστρέψει σε αυτό.

Μία «σύγκρουση» ηλεκτρονίου με ηλεκτρόνιο είναι μία αλληλεπίδραση ιδιαίτερα περιορισμένη σε χώρο και σε χρόνο. Μολονότι οι νόμοι διατήρησης επιβάλλουν το ότι η ενέργεια και η ορμή του συστήματος διατηρούνται αναλλοίωτες δεν μπορούμε να έχουμε άμεση εμπειρική εγγύηση ότι αυτό ισχύει σε κάθε στιγμή εφόσον -βάσει της Αρχής της Απροσδιοριστίας- υπάρχει μια ενδογενής Αβεβαιότητα στη γνώση μας γι αυτές κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης.

Είναι συνεπώς νόμιμο να φανταστούμε ότι ΕΝΑ ΝΕΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ – ένα virtual φωτόνιο - ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙΤΑΙ ΑΥΘΟΡΜΗΤΑ ΑΠΟ ΤΟ ΚΕΝΟ. Αν το σωματίδιο εξαφανιστεί και πάλι στο κενό σε μικρό χρονικό διάστημα δεν θα προλάβουμε να μετρήσουμε την οποιαδήποτε παραβίαση των νόμων διατήρησης.

Μπορούμε λοιπόν να υποθέσουμε ότι ΚΑΘΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΕΤΑΙ ΑΠΌ νέφος VIRTUAL – εικονικών, ή δυνητικών – ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ τα οποία αναδύονται προς στιγμήν από το κενό.

Με τη λογική αυτή η ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ μεταξύ δύο ηλεκτρονίων θεωρήθηκε ως ΑΝΤΑΛΛΑΓΗ ενός virtual – ΔΥΝΗΤΙΚΟΥ- ΦΩΤΟΝΙΟΥ και ίσως πρέπει να το λέμε virtual για να το ξεχωρίζουμε από όλα εκείνα τα φωτόνια του φωτός που διατηρούν την ενέργειά τους επί δισεκατομμύρια χρόνια εφόσον δεν απορροφηθούν από άτομο.

Στην κβαντική θεωρία πεδίου ΟΛΕΣ οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων οφείλονται σε ανταλλαγή ενός virtual σωματιδίου το οποίο λειτουργεί ως αγγελιαφόρος- μεσολαβητής. Όλα αυτά τα θνησιγενή σωματίδια, το φωτόνιο, τα διανυσματικά μποζόνια W και Z και τα γλουόνια, είναι και φορείς ή μεσολαβητές των αλληλεπιδράσεων με την έννοια ότι όταν αυτά ανταλλάσσονται μεταξύ δύο σωματιδίων η διαδικασία οδηγεί στη δράση μιας δύναμης μεταξύ των δύο σωματιδίων.

Σήμερα το κενό έχει μεγάλο ενδιαφέρον και για τους πειραματικούς φυσικούς που πατούν καλά στη γη και τους ενδιαφέρει το φαινόμενο Casimir και για τους κοσμολόγους που ασχολούνται με την εξέλιξη του Σύμπαντος και εκεί υπάρχει «κενό». Με δυο λόγια, λοιπόν, και στο απόλυτο κενό υπάρχουν κβαντικές διακυμάνσεις και ενέργεια που με βάση την αρχή της Απροσδιοριστίας δεν μπορεί να γίνει ακριβώς μηδέν αλλά θα κυμαίνεται γύρω από μια τιμή.

Υποψίες για την ύπαρξη ενέργειας και στο κενό είχε βάλει στους επιστήμονες το φαινόμενο Casimir όπου όταν δύο επίπεδοι καθρέφτες πλησιάσουν σε συνθήκες κενού σε απόσταση περίπου 7 εκατομμυριοστών του μέτρου παρουσιάζεται ξαφνικά μια έλξη μεταξύ τους ίση με το βάρος μιας σταγόνας νερού με διάμετρο ενός μιλιμέτρ, που αποδίδεται σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα μέσα στο κενό· επειδή ακριβώς υπάρχει μια διαφορά στις ταλαντώσεις στον ενδιάμεσο χώρο μεταξύ των πλακών και γύρω από αυτές. Η δύναμη μπορεί να φαίνεται μικρή, αλλά θα φανεί μάλλον πολύ χρήσιμη στους κατασκευαστές μικροσυσκευών.