Explore
Also Available in:

Da li je nešto stvoreno iz ničega?

Potvrda Schwinger efekta kvantne mehanike

piše:
preveo Mladen Čirjak

Neki su naslovi tvrdili da je nešto stvoreno iz ničega.1 Kao i obično, potrebno je razlikovati dobru znanost od neosnovanih interpretacija.

Stvarna znanost

Dobra znanost? Kvantna mehanika — je zaista dobra operativna znanost, kao što smo objasnili.2 Jedna od značajki kvantne mehanike je Heisenberg-ovo načelo neodređenosti, nazvan po nobelovcu i pioniru kvantne mehanike Werner-u Heisenberg-u (1901–1976). Taj princip kaže da ne možemo beskrajno precizno poznavati energiju i vrijeme, ili poziciju i moment (vidi prozor). Budući da su masa i energija povezane čuvenom Einstein-ovom formulom E = mc2, to se također odnosi i na masu.

wikipediaJulian Schwinger
Julian Schwinger

Dakle, u najmanjem djeliću sekunde, nove subatomske čestice se mogu pojaviti i nakon toga nestati. To su virtualni parovi materije i antimaterije. Međutim, vrijeme postojanja tih čestica je obrnuto proporcionalno njihovoj masi. To jest, što je masa veća, to kraće traje. Materija i antimaterija se brzo ponište. Na taj način postojanje je kratko za bilo što veće od subatomske čestice. Za nešto veličine svemira, zaboravite!

Nastajanje virtualnih čestica je dakle privremeno kršenje zakona očuvanje energije i mase: tj. ukupni iznos mase/energije je konstantan. No, to nije problem, zbog nesigurnosti mjerenja energije za dati infinitezimalni vremenski period. Izvan tog vremenskog perioda, čestice nestaju, obnavlja se prvobitna masa-energija, pa zakon nije ugrožen.

Virtualne su čestice demonstrirane teorijski. To je dobra znanost. Ono što nije dobra znanost jesu tvrdnje se radi o nečemu iz ničega. Stvaranje virtualnih parova zahtijeva kvantno polje – to je nešto, nije ništa. Mnogi ateistički kozmolozi, uključujući Lawrence Krauss-a i pokojnog Stephen Hawking-a, čine tu filozofsku grešku nazivajući nešto ničim.

Schwinger-ov efekt

Normalno, postojanje virtualnih čestica je krajnje prolazno. Međutim, 1951. godine, nobelovac i kvantni fizičar Julian Schwinger (1918–1994) teorijski je objasnio način na koji bi virtualne čestice mogle trajati. Ekstremno jako električno polje razdvajalo bi suprotno nabijene čestice i anti-čestice, zaustavljajući njihovo uništenje. Tako bi čestice trajale.

Međutim, električno polje nije ‘ništa’! Također, energija čestica dolazi iz električnog polja, čime je zakon očuvanja mase i energije očuvan.

Eksperiment konfirmacije

Znanstvenici su smatrali da je preteško dokazati Schwinger-ovo predviđanje, jer zahtijeva električna polja daleko iznad onoga što znanstvenici mogu proizvesti. Zapravo, bilo bi potrebno električno polje poput onoga kojeg stvara magnetar (‘magnetska zvijezda’), neutronska zvijezda s magnetskim poljem milijardi tesla (Magnetno polje Zemlje je 50 milijuntih dijelova tesle). Kao alternativa, nadali su se privremeno postići potrebna električna polja pomoću sudara čestica visokih energija.

Međutim, znanstvenici pri University of Manchester doskočili su problemu i potvrdili Schwinger-ov efekt.3 No, to nije bio čestica-antičestica par u prostoru, već solidni analog: elektronska praznina.4 ‘Praznina’ u krutoj tvari je nedostatak elektrona u kristalnoj rešetci gdje bi on normalno postojao.5 U normalnoj krutoj tvari, negativni naboj elektrona uravnotežen je pozitivnim nabojem atomske jezgre. Dakle, položaj praznine ima neto pozitivan naboj. Solidni analog zahtijeva puno niže električno polje od praznog prostora (i nešto drugačiji teoretski tretman).

wikipediagraphen
Grafen: u biti dvodimenzionalna tvar sačinjena od heksagonalne rešetke atoma ugljika.

‘Kondukcija praznina (eng: hole conduction)’ je pomicanje rupa kroz rešetku kao da su pozitivno nabijene čestice. To je važno za poluvodiče p-tipa — ‘p’ se odnosi na pozitivan naboj rupa.

Eksperiment je koristio grafen, koji je sačinjen od slojeva ugljika debljine jednog atoma. To je u biti dvodimenzionalna substruktura, s neobičnim električnim svojstvima i mogućnosti da izdrži vrlo visoke struje. Grafen je bio uređen u super-rešetku: naizmjenične vrlo tanke slojeve grafena i borovog nitrida.

Kada je primijenjeno vrlo snažno električno polje, proizvedena je električna struja veća od one koju dozvoljava normalna kvantna mehanika provođenja elektrona. To se može objasniti jedino generiranjem dodatnih nabijenih čestica: stvaranjem elektronskih praznina. Te su čestice opstale dovoljno dugo da doprinesu izmjerenoj električnoj struji.

Problem antimaterije

U konačnici, svemir je većinom tvar. Takvi procesi stvaraju jednak broj čestica i antičestica, pa ne mogu objasniti naš svemir. Taj dugovječan problem teorije velikog praska6 nije riješen Schwinger-ovim efektom.

Zaključak

Senzacionalistički članak zaključuje:

Stvaranjem elektrona i pozitrona (ili “praznina”) doslovno iz ničega, iskakanjem iz kvantnog vakuuma pomoću električnih polja, to je još jedan način na koji svemir demonstrira naizgled nemoguće: mi zaista možemo stvoriti nešto iz ničega!1

Kao što je objašnjeno, to nije niti izdaleka tako. No, samo istraživanje je znanstveno važno i vjerojatno ima korisne praktične aplikacije:

To istraživanje je također važno za razvoj budućih elektroničkih uređaja temeljenih na dvodimenzionalnim kvantnim materijalima, te utvrđuje granice ožičenja načinjenog od grafena za koji je od ranije znano da posjeduje izvanrednu sposobnost podnošenja ultra-visokih električnih struja.3

Tehnički
Heisenberg-ov princip neodređenosti kaže: ΔE Δt ≥ h/4π and Δx Δp ≥ h/4π, where Δ = neodređenost, E= energija, t = vrijeme, x= pozicija, p = moment, i h = Planck-ova konstanta = 6.62607015×10⁻34 J.s.

Majušnost Planck-ove konstante je razlog što je neodređenost relevantna samo za subatomske čestice. Za većinu većih sustava, kvantna mehanika se svodi na klasičnu mehaniku. Dakle, kvantnu mehaniku se ne može koristiti za izbjegavanje nemogućnosti spajanja amino kiselina ili nukleotida u precizne nizove neophodne za život. Kvantna fizika zasigurno ne može objasniti nastanak svemira iz ‘ničega’.

 

Reference i bilješke

  1. Siegel, E., 70-year-old quantum prediction comes true, as something is created from nothing, bigthink.com, 13 Sep 2022. Natrag na tekst.
  2. Sarfati, J., Should creationists accept quantum mechanics? J. Creation 26(1):116–123, 2012. Natrag na tekst.
  3. Cosmic physics mimicked on table-top as graphene enables Schwinger effect, manchester.ac.uk, 28 Jan 2022. Natrag na tekst.
  4. Berdyugin, A.I. and 20 others, Out-of-equilibrium criticalities in graphene superlattices, Science 375(6579):430–433, 27 Jan 2022 | doi:10.1126/science.abi8627. Natrag na tekst.
  5. Zanimljivo, nobelovac Paul Dirac (1902–1984) prvi je predložio postojanje anti-elektrona (pozitrona) kao praznine u beskrajnom ‘moru’ elektrona negativne energije. Dirac je objedinio specijalnu relativnost i kvantnu mehaniku kako bi objasnio ponašanje elektrona. Međutim, njegova jednadžba je imala rješenja i za stanja pozitivne energije i za stanja negativne energije.

    Zašto ne uočavamo potonje? Dirac je predlagao da su sva stanja negativne energije popunjena, pa nije bilo moguće da elektron pozitivne energije upadne na to mjesto. No, foton dovoljno visoke energije bi mogao izbiti jedan od tih elektrona negativne energije u pozitivnu energiju. Taj bi se elektron ponašao kao običan elektron, a praznina koja bi ostala bi se ponašala kao pozitivno nabijen elektron. Ako bi se praznina i elektron susreli, elektron bi ispunio prazninu (poništavanje), oslobađajući energiju.

    Međutim, praznine krutog stanja obično se ponašaju kao da su puno masivnije od elektrona. Natrag na tekst.
  6. Smorra, C. and 16 others, A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment, Nature 550(7676):371–374, 19 Oct 2017 | doi:10.1038/nature24048. Natrag na tekst.