Στα περίχωρα του Αμβούργου, στη Γερμανία, παλμοί από ένα από τα μεγαλύτερα λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο κινούνται υπόγεια προς έναν θάλαμο από ανοξείδωτο ατσάλι. Ακριβώς από πάνω, ένα άλλο τεράστιο λέιζερ περιμένει. Σε λίγο, η δέσμη του θα κατέβει για να συναντήσει κατά μέτωπο τις ακτίνες Χ, φέρνοντας τις δύο εξαιρετικά ισχυρές δέσμες φωτός μαζί σε μια τεράστια έκρηξη ενέργειας.
Όλα αυτά ακούγονται εντυπωσιακά. Πίσω όμως από το εντυπωσιακό σκηνικό υπάρχει ένας σοβαρός στόχος: οι επιστήμονες που βρίσκονται πίσω από το πείραμα ελπίζουν να «δουν» το κενό. Όχι τυχαία ύλη στον θάλαμο, ούτε υπολειμματικό αέριο ή σωματίδια κάθε είδους, αλλά το ίδιο το κενό — αυτό που οι περισσότεροι θεωρούν απόλυτη απουσία, αλλά η σύγχρονη φυσική περιγράφει ως πεδίο που βρίθει κβαντικών διεργασιών. Συνήθως, αυτά τα πεδία δεν ανιχνεύονται και το κενό μοιάζει με το τίποτα. Όμως, με αρκετό φως, ακόμη και το τίποτα μπορεί να αρχίσει να μοιάζει με κάτι.
«Η ελπίδα είναι ότι, αν αυτό υπάρχει σύμφωνα με τη θεωρία, θα μπορέσουμε να το δούμε», λέει ο Tom Cowan, πειραματιστής στο εργαστήριο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf στη Γερμανία. «Αν δεν υπάρχει, τότε υπάρχει πρόβλημα.»
Το να δει κανείς το κβαντικό κενό δεν απαιτεί μόνο τεράστια λέιζερ, αλλά και από τον πιο ευαίσθητο εξοπλισμό ανίχνευσης που έχει σχεδιαστεί ποτέ. Το πιθανό κέρδος, όμως, είναι μεγάλο. Τα αποτελέσματα θα δοκιμάσουν τις καλύτερες θεωρίες μας για το κενό και ίσως δώσουν καλύτερη εικόνα για τη σκοτεινή ύλη που φαίνεται να καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος. Υπάρχει επίσης, έστω και μικρή, πιθανότητα να αποκαλύψουν ότι ο κενός χώρος είναι ακόμη πιο παράξενος απ’ όσο προβλέπει η κβαντική θεωρία.
Δεν υπάρχει χώρος, δεν υπάρχει χρόνος, δεν υπάρχουν σωματίδια: Μια ριζοσπαστική άποψη για την κβαντική πραγματικότητα
Η σύγχρονη έννοια του κενού ανάγεται στο έργο του θεωρητικού Paul Dirac στα τέλη της δεκαετίας του 1920. Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί ήδη πίστευαν ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γεμίζει όλο τον χώρο, αλλά εξακολουθούσαν να βλέπουν την ύλη ως ξεχωριστά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια. Ο Dirac είδε ότι και τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να κατανοηθούν ως ενεργειακές διακυμάνσεις σε ένα υποκείμενο πεδίο. Μέσα σε λίγο περισσότερο από μια δεκαετία, η ιδέα του εξελίχθηκε στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, ή QED — την πρώτη επιτυχημένη κβαντική θεωρία πεδίου.
Ως τη δεκαετία του 1970, μια πιο σύνθετη κβαντική θεωρία πεδίου, το «καθιερωμένο πρότυπο» της σωματιδιακής φυσικής, είχε επεκταθεί ώστε να περιλαμβάνει την QED και να εξηγεί όλη την γνωστή ύλη και όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις, εκτός από τη βαρύτητα. Όταν ο χώρος είναι κενός, αυτά τα πεδία παραμένουν, αλλά δεν είναι εντελώς ακίνητα. Η αβεβαιότητα που ενσωματώνει η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι ένα πεδίο δεν μπορεί ποτέ να έχει με βεβαιότητα κάποια συγκεκριμένη τιμή, ούτε καν το μηδέν: πρέπει πάντα να υπάρχει η πιθανότητα για κάτι λίγο περισσότερο, η πιθανότητα μιας διακύμανσης.
Αυτό δεν είναι απλώς αφηρημένη φυσική. Όπως είχε προβλέψει ο θεωρητικός Hendrik Casimir στα τέλη της δεκαετίας του 1940, οι κβαντικές διακυμάνσεις μπορούν να ασκήσουν μετρήσιμη δύναμη. Αν τοποθετηθούν δύο μεταλλικές πλάκες πάρα πολύ κοντά μέσα σε κενό, το διάκενο περιορίζει τα μήκη κύματος του ταλαντούμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μπορούν να χωρέσουν ανάμεσά τους. Έξω από τις πλάκες, οι κβαντικές διακυμάνσεις συσσωρεύονται και η ανισορροπία που προκύπτει τις έλκει μεταξύ τους. Σήμερα, οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν αυτό το φαινόμενο κάθε φορά που κατασκευάζουν νανοσυσκευές για smartphones, game controllers και άλλες σύγχρονες τεχνολογίες.
Παρόλα αυτά, κανείς δεν έχει δει ποτέ το ίδιο το κβαντικό κενό. Συνήθως, για να «δεις» κάτι — ακόμη και αν είναι διαφανές — πρέπει να αλλάζει το φως με κάποιον τρόπο. Πάρτε για παράδειγμα το νερό σε ένα ποτήρι: το φως περνά μέσα από αυτό, ανακλώντας και διαθλώντας γύρω από τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τα άτομα του νερού. Το χαρακτηριστικό οπτικό μοτίβο που φτάνει στα μάτια μας είναι αυτό που μας λέει ότι το ποτήρι περιέχει νερό και όχι τίποτα.
Όταν όμως το φως περνά μέσα από κενό, δεν βλέπουμε καμία απόκριση από τα πεδία του, ακόμη κι αν αυτά είναι γεμάτα διακυμάνσεις. Τα πεδία είναι τελείως αόρατα — θα μπορούσαν να μην υπάρχουν καθόλου.
Ή μήπως όχι; Στα μέσα της δεκαετίας του 1930, όταν η QED βρισκόταν ακόμη στα πρώτα της βήματα, οι θεωρητικοί Werner Heisenberg και Hans Euler έδειξαν ότι αν το φως είναι αρκετά ισχυρό, θα αρχίσει να καταπονεί τα πεδία του κενού, ώστε αυτά να επηρεάζουν τη διέλευση οποιουδήποτε επιπλέον φωτός. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως διπλοθλαστικότητα κενού.
«Πρέπει να αποδώσει κανείς ορισμένες ιδιότητες στον ίδιο τον κενό χώρο», παρατήρησε ο θεωρητικός Victor Weisskopf, ο οποίος προχώρησε την ανάλυση έναν χρόνο αργότερα. Αν είχαν δίκιο, τότε τα πεδία του κενού θα έπρεπε τελικά να είναι ορατά — σχεδόν σαν ένα εξαιρετικά αραιό κρύσταλλο.
Το πρόβλημα είναι ότι κανείς δεν είχε φως αρκετά ισχυρό για να εξερευνήσει αυτό το αχαρτογράφητο πεδίο της QED. Εκείνη την εποχή, οι πιο ισχυρές πηγές φωτός ήταν οι λυχνίες τόξου, που χρησιμοποιούνταν συνήθως στους ασπρόμαυρους κινηματογραφικούς προβολείς και λειτουργούσαν σε ισχύ μερικών κιλοβάτ. Η τεχνολογία όμως προχώρησε. Με την εμφάνιση των λέιζερ τη δεκαετία του 1960, οι μέγιστες εντάσεις ανέβηκαν σε μεγαβάτ, έπειτα σε γιγαβάτ και ακόμη περισσότερο.
Πιο πρόσφατα, η τεχνική του «chirped pulse amplification» — που αναγνωρίστηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2018 — άνοιξε τον δρόμο για λέιζερ πεταβάτ, αρκετά ισχυρά ώστε να εξαϋλώσουν οτιδήποτε βρεθεί στο σημείο εστίασής τους. Παράλληλα, οι εξελίξεις στους επιταχυντές σωματιδίων οδήγησαν στη δημιουργία γιγαντιαίων λέιζερ που εκπέμπουν ακτίνες Χ αντί για ορατό ή υπέρυθρο φως.
Κανένα από αυτά τα όργανα δεν κατασκευάστηκε με στόχο την ανίχνευση του κβαντικού κενού. Τα ισχυρά οπτικά λέιζερ αναπτύχθηκαν κυρίως για να μελετηθεί η αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη και για να δημιουργηθούν νέες μέθοδοι πυρηνικής σύντηξης. Οι επιστήμονες πίσω από τα λέιζερ ακτίνων Χ ήθελαν κυρίως να προσδιορίσουν τη μοριακή δομή σημαντικών πρωτεϊνών και να παρακολουθήσουν χημικές αντιδράσεις σε πραγματικό χρόνο. Παρ’ όλα αυτά, «παίρνεις ένα νέο σφυρί και ψάχνεις για καινούριο καρφί», λέει ο Tom Heinzl, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Plymouth στη Βρετανία.
Δύο πολύ ισχυρά λέιζερ
Πριν από δύο χρόνια, ο Heinzl ήταν ένας από τους περισσότερους από 50 συντάκτες μιας πρότασης για τη χρήση ενός από τα ισχυρότερα λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο, του European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) στη Γερμανία, ώστε να ελεγχθούν οι προβλέψεις των Heisenberg και Euler για τη διπλοθλαστικότητα του κενού.
Η ιδέα, που ωρίμαζε σχεδόν επί δύο δεκαετίες, προέβλεπε τη διασταύρωση της παλμικής δέσμης ακτίνων Χ του XFEL με τη δέσμη ενός ξεχωριστού οπτικού λέιζερ ισχύος 300 terawatt. Το οπτικό λέιζερ θα καταπονούσε το ηλεκτρονικό πεδίο, ώστε όταν οι ακτίνες Χ περνούσαν μέσα από αυτό, ο προσανατολισμός τους, δηλαδή η πόλωσή τους, να περιστρέφεται ελάχιστα: το αποτύπωμα του ίδιου του κενού. «Αυτό είναι η QED σε ένα αχαρτογράφητο καθεστώς», λέει ο Heinzl. «Κανείς δεν το έχει ελέγξει πριν.»
Με την πρώτη ματιά, αυτό μπορεί να ακούγεται σαν παιδική επίδειξη — να ρίχνεις δύο εξωφρενικά ισχυρά λέιζερ το ένα πάνω στο άλλο για να δεις τι θα συμβεί. Το προβλεπόμενο όμως αποτέλεσμα δεν είναι καθόλου θεαματικό. Μια μόνο παλμική δέσμη του XFEL, που διαρκεί περίπου ένα εκατοντομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, περιέχει 100 δισεκατομμύρια φωτόνια ακτίνων Χ. Ο Felix Karbstein από το Helmholtz Institute Jena στη Γερμανία πρότεινε ότι, μέσα σε όλα αυτά τα φωτόνια, μόνο ένα θα είχε αλλάξει πόλωση από το κενό. Κανένας ανιχνευτής στη Γη δεν θα μπορούσε να εντοπίσει εύκολα ένα τέτοιο σήμα. Χρειαζόταν ένα τέχνασμα.
Η πιθανή λύση ήρθε από αρκετά μέλη της ερευνητικής ομάδας, ανάμεσά τους και ο Cowan. Η μέθοδος είναι γνωστή ως τεχνική σκοτεινού πεδίου και περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενός μικρού, κυκλικού αντικειμένου στο κέντρο της δέσμης ακτίνων Χ, αμέσως αφού περάσει από την περιοχή όπου έχει «στρεσαριστεί» από το φως. Το μεγαλύτερο μέρος των ακτίνων Χ μπλοκάρεται, αλλά όχι εκείνες που έχουν επηρεαστεί από το κενό: στη διαδικασία της αλλαγής πόλωσης, εκτρέπονται ταυτόχρονα σε μια σκοτεινή άλω γύρω από τη δέσμη, όπου ένας ανιχνευτής μπορεί να τις εντοπίσει πιο εύκολα.
«Είναι σαν να κοιτάς τον ήλιο κατά τη διάρκεια έκλειψης», λέει ο Cowan. «Χάρη στη σκιά της Σελήνης, μπορείς να δεις το στέμμα του ήλιου, επειδή δεν καλύπτεται πια από το εκτυφλωτικό φως.»
Πέρυσι, η ομάδα πραγματοποίησε ένα πείραμα απόδειξης αρχής στην ερευνητική εγκατάσταση Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) του XFEL, για να δοκιμάσει την ιδέα του σκοτεινού πεδίου, και διαπίστωσε ότι πράγματι μπλοκάρει το σήμα υποβάθρου. «Στόχος μας δεν ήταν να κάνουμε τη μέτρηση σε εκείνη τη δοκιμή», λέει ο Ulf Zastrau, που διευθύνει την έρευνα για την ύλη σε ακραίες συνθήκες στο XFEL. «Στην πραγματικότητα, απλώς μάθαμε τι πρέπει να κάνουμε.» Οι ερευνητές ελπίζουν να επιχειρήσουν την πρώτη κανονική παρατήρηση τον επόμενο χρόνο.
Αν τα καταφέρουν, δεν θα είναι στην πραγματικότητα οι πρώτοι που θα ισχυριστούν ότι ανίχνευσαν διπλοθλαστικότητα κενού. Πριν από δέκα χρόνια, αστροφυσικοί που χρησιμοποίησαν το Very Large Telescope (VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου στη Χιλή ανίχνευσαν πόλωση στο αχνό φως που προερχόταν από ένα αστέρι νετρονίων σε απόσταση 400 ετών φωτός. Τα αστέρια νετρονίων είναι τα πυκνά απομεινάρια μαζικών άστρων με ακραία μαγνητικά πεδία.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν και αποτυγχάνουν να εξηγήσουν πώς λειτουργεί πραγματικά η δύναμη που συγκρατεί τον πυρήνα των ατόμων. Όμως νέα μαθηματικά εργαλεία αρχίζουν επιτέλους να ανοίγουν το πρόβλημα.
Οι ερευνητές υποστήριξαν ότι, αν το φως του άστρου ήταν εξαρχής πολωμένο, τα μαγνητικά πεδία θα έπρεπε να το είχαν διαταράξει. Άρα το γεγονός ότι παρατηρήθηκε πόλωση σήμαινε πως αυτή μπορούσε να έχει παραχθεί μόνο από το περιβάλλον κενό. «Τα [αποτελέσματα] που μετρήσαμε με το VLT δεν μπορούν να εξηγηθούν εύκολα από τα μοντέλα μας, εκτός αν συμπεριληφθούν τα φαινόμενα διπλοθλαστικότητας κενού που προβλέπει η QED», είχε δηλώσει τότε ο Roberto Mignani από το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής στο Μιλάνο της Ιταλίας.
Όμως σχεδόν αμέσως μετά τη δημοσίευση της θέσης της ομάδας, ανεξάρτητοι θεωρητικοί άρχισαν να τη αμφισβητούν, λέγοντας ότι τα μοντέλα βασίζονταν υπερβολικά σε υποθέσεις για το αστέρι νετρονίων και το μαγνητικό του πεδίο. Νωρίτερα φέτος, αποτελέσματα από το Imaging X-ray Polarimetry Explorer της NASA ενίσχυσαν την υπόθεση της διπλοθλαστικότητας κενού, αλλά η ανάλυση εξακολουθεί να εξαρτάται από διάφορες υποθέσεις μοντέλων για τη συμπεριφορά των αστέρων νετρονίων.
Αντίθετα, οι πολώσεις των φωτονίων ακτίνων Χ στο πείραμα HIBEF θα είναι γνωστές ξεκάθαρα πριν και μετά. Αν κάποια ανιχνευθούν με διαφορετική πόλωση, θα υπάρχει ελάχιστη αμφιβολία ότι το κενό ήταν αυτό που τις άλλαξε.
Φυσικά, αυτό προϋποθέτει ότι οι προβλέψεις της QED είναι σωστές — και, για να είμαστε δίκαιοι, μέχρι σήμερα είναι πάντα σωστές. Καμία άλλη θεωρία δεν έχει αποδειχθεί τόσο επιτυχημένη όσο η QED στην ιστορία της επιστήμης. Είναι χαρακτηριστικό ότι μία ιδιότητα του σωματιδίου, η μαγνητική δύναμη του ηλεκτρονίου, μπορεί να προβλεφθεί από την QED με σχετική ακρίβεια περίπου 1 στο 1 τρισεκατομμύριο. «Αν μιλήσεις με έναν φυσικό σωματιδίων και πεις ότι θέλεις να δοκιμάσεις την QED, θα αρχίσει να χασμουριέται», λέει ο Heinzl. «Θα σου πει ότι αυτό έχει ήδη γίνει πριν από δεκαετίες.» Με αυτή την οπτική, μια επιτυχημένη παρατήρηση της διπλοθλαστικότητας του κενού θα ήταν απλώς το κερασάκι στην τούρτα.
Όμως, όπως επισημαίνει ο Heinzl, όλες οι προηγούμενες προβλέψεις της QED αφορούσαν σχετικά ασθενή πεδία φωτός και στηρίζονταν στην προσθήκη πολλών διορθώσεων ή «διαταραχών» για να προκύψει το σωστό αποτέλεσμα, αποφεύγοντας παράλληλα να εμφανιστούν άπειρα μεγέθη στους υπολογισμούς.
Για ισχυρά πεδία φωτός, αυτού του είδους τα μαθηματικά σχεδόν ποτέ δεν λειτουργούν — οι υπολογισμοί καταλήγουν στο άπειρο, ό,τι κι αν γίνει. Η πρόβλεψη Heisenberg-Euler για τη διπλοθλαστικότητα του κενού είναι μια σπάνια, τυχερή περίπτωση όπου ένα φαινόμενο της QED σε ισχυρό πεδίο μπορεί να υπολογιστεί χωρίς διαταρακτικές προσεγγίσεις και χωρίς άπειρα. Είναι λοιπόν πολύ πιθανό ότι αυτό το καθεστώς ισχυρού πεδίου της QED δεν θα αποδειχθεί τόσο επιτυχημένο όσο όσα έχουν δοκιμαστεί μέχρι σήμερα και ότι κάποια άλλη, ακόμη άγνωστη θεωρία θα κυβερνά τη συμπεριφορά σε ισχυρά πεδία. «Γι’ αυτό ενθουσιαζόμαστε», λέει ο Heinzl.
Σε τέτοιο ανεξερεύνητο έδαφος, ένα νέο στοιχείο που θα μπορούσε να εμφανιστεί είναι το αποτύπωμα ενός νέου σωματιδίου που σχετίζεται με τη σκοτεινή ύλη. Στο σύνολο του σύμπαντος, η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αντιστοιχεί στο 85 τοις εκατό της συνολικής ύλης, αλλά κανείς δεν ξέρει τι ακριβώς είναι. Ένας από τους βασικότερους υποψήφιους είναι ένα υποθετικό, ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο που ονομάζεται άξιον και αλληλεπιδρά ελάχιστα με την κοινή ύλη. Τα σημερινά πειράματα αναζητούν φωτόνια που μπορεί να δημιουργήθηκαν από άξιον μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, μέχρι στιγμής δεν έχει υπάρξει αποτέλεσμα.
Καθώς αυτές οι αναζητήσεις συνεχίζονται, οι θεωρητικοί έχουν αρχίσει να εξετάζουν ευρύτερες δυνατότητες για άξιον-όμοια σωματίδια — ακόμη και ένα πλούσιο «σκοτεινό τομέα» από διάφορα νέα σωματίδια και πεδία που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, ένα άξιον-όμοιο σωματίδιο θα μπορούσε να είναι πολύ βραχύβιο για να ανιχνευθεί από τα υπάρχοντα πειράματα, αλλά θα μπορούσε να κάνει
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
