TWÓRCZA PRÓŻNIA

Czerpanie energii z niczego, czyli z kosmicznej pustki, wykorzystanie krzywizny przestrzeni do napędu statków kosmicznych - pomysły rodem z fantastycznych nowel, uważane za nierealne nawet przez entuzjastów tego gatunku, zaczynają się urzeczywistniać. Obie idee z dziedziny fikcji trafiły już do nauki. Omawia się je na sympozjach, wpisuje do planów badawczych, przeznacza pieniądze na ich realizację.

"W filiżance próżni może się kryć więcej energii, niż jej potrzebuje cała ludzkość. Astronauci mogliby zaprząc energię próżni do popychania statku kosmicznego dokładnie tak, jak marynarze zaprzęgają wiatr do popychania żaglowca" - stwierdził na jednym z niedawnych sympozjów Marc Millis, szef należącego do NASA Breakthrough Propulsion Laboratory w Cleveland. Jak wiele energii można uzyskać z próżni, postanowił sprawdzić doświadczalnie Steven Lamoreaux, fizyk pracujący w Los Alamos National Laboratory, gdzie ponad pół wieku temu skonstruowano pierwsze bomby atomowe, wyzwalając druzgocącą energię z jądra atomu. "Gęstość energii w próżni kosmicznej jest nawet większa niż wewnątrz atomowego jądra" - tłumaczy na łamach "New Scientist" Igor Sokołow, rosyjski fizyk pracujący dziś na uniwersytecie w Toronto. W tzw. pustej przestrzeni, gdzie - zdawałoby się - nic nie ma, na bardzo krótko pojawiają się widmowe odpowiedniki elektronów, protonów, fotonów i cząstek. Nazwano je cząstkami wirtualnymi, czyli niezupełnie rzeczywistymi. Tworzą się one z niczego i przestają istnieć bez przyczyny, zaprzeczając klasycznej zasadzie, według której energii nie może przybywać z niczego. Zjawisko to zachodzi tak szybko, że - jak twierdzą niektórzy badacze - "manko w bilansie energii nie zostaje zauważone nawet przez naturę". Wszystko to wydaje się niewiarygodne, podobnie jak teoria kwantów, która opisuje m.in. cząstki wirtualne i powstawanie energii z pustki. Początkowo budziła ona protesty niektórych fizyków; jej przeciwnikiem był nawet Einstein. Z biegiem czasu ten dziwaczny obraz mikroświata dowiódł swej praktycznej wartości. "Z pozycji myślenia zdroworozsądkowego teoria kwantów opisuje naturę w sposób absurdalny, ale zgadza się znakomicie z doświadczeniem. Mam nadzieję, że zaakceptujecie naturę taką, jaka jest - absurdalną i zachwycającą" - napisał jeden z twórców nowoczesnej fizyki, laureat Nagrody Nobla, Richard Feynman. Widmowe cząstki wirtualne, choć uznane przez swych odkrywców za niezupełnie rzeczywiste, mogą przejawiać energię w zupełnie konkretny sposób, na przykład popychając metalowe płytki. Zjawisko to przewidział 50 lat temu holenderski fizyk Hendrik Casimir. Doszedł do wniosku, że cząstki wirtualne obecne w próżni powinny naciskać z dwóch stron na ustawione blisko siebie metalowe płytki przewodzące. W niewielkiej przestrzeni pomiędzy płytkami powinno być ich znacznie mniej. Zmieszczą się tam bowiem tylko cząstki o odpowiedniej długości fali (jak wiadomo z fizyki kwantowej, każda z cząstek elementarnych jest również falą). A zatem nacisk cząstek wirtualnych z zewnątrz będzie większy niż opór cząstek pomiędzy płytkami. W rezultacie płytki zostaną gwałtownie popchnięte ku sobie i niemal zlepione. Wspomniany Lamoreaux kilka lat temu skonstruował przyrząd, którym zmierzył, z jaką siłą cząstki wirtualne popychają metalowe płytki. Nie jest ona duża, ale niezaprzeczalnie istnieje. Natomiast, jak twierdzi Sokołow, energia próżni uwalnia się na ogromną skalę podczas spektakularnych katastrof kosmicznych, na przykład eksplozji supernowych. Energia próżni może być także przyczyną niezwykłej jasności kwazarów. Problem polega na tym, jak w celu praktycznego zastosowania wydobyć tę energię z oceanu wirtualnych cząstek? Gdy dwie płytki z eksperymentu Casimira popychane przez cząstki wirtualne wpadną na siebie, produkują pewną ilość ciepła, które można zamienić na elektryczność. Żeby jednak cały proces trwał nadal, trzeba je ponownie rozsunąć, a na to potrzeba większej energii, niż poprzednio uzyskana. Rezultatem byłaby strata, a nie zysk. Harold Putthof, dyrektor Institute for Advanced Studies w Teksasie, jest przekonany, że znalazł lepsze rozwiązanie. Metalowe płytki zastąpił plazmą, czyli zjonizowanym gazem, łatwiejszym i tańszym do uzyskania. Putthof twierdzi, że w swoich eksperymentach uzyskał 30 razy więcej energii, niż jej dostarczył. "Otrzymaliśmy nawet patent na tę metodę" - cytuje jego wypowiedź "New Scientist". Większość fizyków pozostaje mimo to sceptyczna. NASA nie ustaje w poszukiwaniu nowych źródeł energii. Przy obecnych możliwościach technicznych podróż do najbliższej gwiazdy trwałaby tysiące lat, co zupełnie wyklucza loty załogowe. Trudność tę pokonał międzygalaktyczny statek "Enterprise" z telewizyjnej serii science fiction "Star Trek". Porusza się on z ogromną prędkością, wykorzystując jako siłę napędową warp-drive, czyli zakrzywienie przestrzeni. Stephen Hawking, jeden z najbardziej znanych i cenionych fizyków współczesnych, nie widzi w tym rozbieżności z obecnym stanem wiedzy o wszechświecie. We wstępie do książki omawiającej naukowe aspekty fantastycznych pomysłów twórców serii "Star Trek" napisał: "Ogólna teoria względności Einsteina, najlepiej opisująca naszą rzeczywistość, pozwala na zwijanie czasoprzestrzeni". Jak bowiem wykazał Einstein, przyciąganie grawitacyjne rozciąga i odkształca przestrzeń.


Prof. Ryszard Sosnowski z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku

Wielu fizyków zastanawia się, czy można wydobyć energię z próżni. Jak to w ogóle możliwe? Dobra, stara zasada fizyki klasycznej mówi, że energia nie pojawia się z niczego. Dziś jednak wiemy, że prawo to sprawdza się tylko w dłuższej skali czasu. Natomiast w bardzo krótkich odstępach czasu, jak sekunda podzielona przez liczbę z dwudziestoma zerami, prawo to ulega zawieszeniu. Może się więc zdarzyć, że w jakimś miejscu pojawia się nagle bez żadnej widocznej przyczyny więcej energii, niż było jeszcze chwilę wcześniej. Jak wiadomo, z energii mogą powstać cząstki materialne. W tym wypadku istnieją one jednak tak krótko, że nie można ich obserwować jako zjawiska fizycznego, są niezupełnie realne. Dlatego nazwano je wirtualnymi. Otóż wyobraźmy sobie, że mamy pewien obszar przestrzeni, w którym nie ma nic, ani materii, ani światła, kompletna ciemność i pustka. W takiej próżni pojawiają się jednak najróżniejsze cząstki - elektron i jego antymaterialny partner pozyton, układy kwark-antykwark, fotony itp. Pojawiają się i nikną. Im większą mają energię, tym krócej trwają. Może nawet ja mógłbym się tam pojawić na niewyobrażalnie krótką chwilę? Moje 60 kg wagi to w mikroświecie gigantyczna masa. Na przypadkowe pojawienie się w odpowiednim porządku wszystkich potrzebnych do tego cząstek nie starczyłoby wieku wszechświata. Próżnia w rozumieniu fizyki współczesnej jest tworem bardzo skomplikowanym i ma wiele zadziwiających właściwości. Można powiedzieć: przestrzeń ma zdolność kreacji - tworzenia z niczego. Między innymi tworzy cząstki wirtualne, o których już wspomniałem, i to nie tylko fotony, kwanty światła nie mające żadnej masy, ale nawet sto razy cięższe od protonu cząstki Z zero. One przenoszą siły, są ucieleśnieniem pewnej energii. Mnie jednak ich praktyczne wykorzystanie wydaje się odległą przyszłością, jeżeli kiedykolwiek będzie w ogóle możliwe. W nauce obowiązuje jednak dobra zasada: jeżeli coś nie wydaje się absolutnie niemożliwe, nie należy zamykać drogi do dalszych badań. Stąd plany wydobycia energii z próżni i pieniądze przyznawane na dalsze eksperymenty. Jedyne, czego należy się obawiać, to szarlataneria, czyli świadome wprowadzanie w błąd opinii publicznej po to, by otrzymać środki na badania, o których z góry wiadomo, że prowadzą donikąd.

Można to sprawdzić, obserwując, jak masa Słońca ugina promienie gwiazd przechodzących w pobliżu jego powierzchni. Im większą masę ma gwiazda, tym silniej zakrzywia przestrzeń w swoim otoczeniu. Metoda warp-drive miałaby polegać nie na poruszaniu się statku przez kosmiczną przestrzeń do jakiegoś odległego obiektu, ale na zwijaniu samej przestrzeni dzielącej statek od gwiazdy. "Jeśli krzywizna przestrzeni zależy od skupionej w niej masy, to teoretycznie można by tak nią manipulować, żeby kurczyć przestrzeń przed statkiem, a rozszerzać poza nim" - twierdzi pracujący w Walii fizyk Miquel Alcubierre. Teoretycznie, a w praktyce? W lutym tego roku, na sympozjum w Marshall Space Center w Alabamie, fizycy i astrofizycy debatowali nad możliwością praktycznego wykorzystania zniekształceń przestrzeni do napędu statków kosmicznych. Opracowano w tym celu programy badawcze. Odkrycia z dziedziny współczesnej fizyki z trudem mieszczą się w wyobraźni. Fizycy i inżynierowie z Japonii oraz USA w gigantycznym detektorze zbudowanym pod masywem gór Ikenas w Japonii wyznaczyli masę neutri- na - cząstki tak przenikliwej, że mogłaby przejść na wylot przez warstwę ołowiu o grubości setek tysięcy kilometrów, nie napotykając najmniejszego oporu. Neutrina pochodzą z wybuchów gwiazd. Miliardy tych cząstek bombardują każdego dnia nasze ciała, nie czyniąc zresztą żadnej szkody. W 1987 r. przeszyły nasze ciała neutrina z supernowej oznaczonej symbolem A-l987. Powstają także na skutek zderzeń promieni kosmicznych z cząstkami atmosfery czy podczas przemian promieniotwórczych i reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd (m.in. w naszym Słońcu). Większość fizyków sądziła, że nie mają one żadnej masy. Japoński detektor-pułapka, olbrzym o wadze 50 tys. t wypełniony ultraczystą wodą i wyposażony w 12 tys. kamer, zarejestrował jednak trzy zderzenia spowodowane przez neutrino (typu muon). Ekipa amerykańska z Bostonu i japońska z Tokio na podstawie obserwacji tych zderzeń wyznaczyła masę neutrina. Jest ona 100 mln razy mniejsza niż masa elektronu. "To najważniejsze wydarzenie w tej dziedzinie od dziesięciu lat. A to dlatego, że masa neutrina nie została przewidziana przez tzw. standardową teorię powstania wszechświata. Być może teoretycy będą musieli teraz zmienić swoje poglądy na sposób powstania i dotychczasowy rozwój wszechświata" - twierdzi Joseph Silk, astrofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Od tego, ile wynosi masa wszystkich neutrin, zależeć będzie także dalszy los uniwersum. Jeżeli okaże się, że jest stosunkowo duża, można by się spodziewać w przyszłości zwolnienia tempa ekspansji wszechświata, a nawet uzyskania przezeń stanu równowagi. W przeciwnym razie może się on rozszerzać bez końca, aż do ostatecznego rozrzedzenia materii i śmierci cieplnej. "Niewątpliwie potrzeba jeszcze wiele pracy, żeby wyjaśnić, jaka część brakującej masy wszechświata przypada na neutrina, ale wynik uzyskany w detektorze Super-Kamionkande zasługuje na Nagrodę Nobla" - ocenia Jean Adouze z Instytutu Astrofizyki w Paryżu