Krótka historia pustki - POCIĄGAJĄCA PRÓŻNIA

Stanisław Mrówczyński

Próżnia, tak pusta jak tylko prawa fizyki na to zezwalają, nie jest bynajmniej nicością. Falują w niej kwanty energii pojawiając się i znikając. Próżnia leciutko popycha ku sobie dwie metalowe płytki. Siła, przewidziana teoretycznie pół wieku temu, tak mała, że zdawało się niewykrywalna, została właśnie zmierzona.

Spór o istnienie bądź nie istnienia pustki trwa od samych narodzin europejskiej filozofii. W V w. p.n.e. Empedokles doszedł do wniosku, obserwując zachowanie zegara wodnego, że niewidzialne powietrze ma w istocie materialną naturę. Swoje odkrycie uznał za dowód wcześniejszego twierdzenia Parmenidesa, że próżnia nie istnieje. Odmiennego zdania byli Leukippos i Demokryt twierdzący, że tworzące materię atomy poruszają się właśnie w pustce. Atomiści nie bardzo jednak umieli poradzić sobie z następującym rozumowaniem Parmenidesa: Gdyby próżnia istniała, nie byłaby już nicością, więc nie istnieje. Logiczną sprzeczność można było usunąć dopiero, gdy zaczęto odróżniać pojęcia przestrzeni i materii. Wszak przestrzeń nie jest nicością, a może być pusta. Arystotelesowi zawdzięczamy bliskie współczesnemu określenie próżni jako "miejsca pozbawionego ciała". Największy mędrzec starożytności odrzucał jednak istnienie pustki, bytu pozbawionego racji, jak twierdził. Pogląd Arystotelesa, że natura nie znosi próżni (horror vacui) upowszechnił się na wiele stuleci.

Wielcy myśliciele XVII w. Kartezjusz i Leibniz również wierzyli, każdy z odmiennych nieco powodów, w plenum - przestrzeń wypełnioną choćby niezwykle subtelną substancją. Dla Kartezjusza rozciągłość, a więc struktura przestrzenna, była esencją materii. Pusta przestrzeń zadawała się absurdem takim jak szczęście bez tego, który je odczuwa. Leibniz natomiast widział przestrzeń jedynie jako zbiór relacji między bytami materialnymi.

Pomimo autorytatywnych twierdzeń filozofów, umysły bardziej praktyczne zajmowało pytanie, czy nie udałoby się sztucznie wytworzyć próżni. Jak i w przypadku kilku innych problemów fizycznych, Galileusz jako pierwszy bliski był zrozumienia istoty zagadnienia. Zauważył mianowicie, że trudno rozdzielić dwie przyłożone do siebie gładko wypolerowane płyty marmurowe, podczas gdy z łatwością można przesuwać jedną płytę względem drugiej. Doszedł tedy do wniosku, że to właśnie horror vacui utrudnia rozdzielenie płyt, gdyż wówczas choćby na krótko musiałaby powstać próżnia między nimi. Galileusz podjął nawet próbę zmierzenia siły wynikającej ze strachu przed próżnią, lecz arystotelesowski kanon myślenia uniemożliwił mu właściwą interpretację obserwowanych zjawisk.

Już wkrótce Ewangelista Torricelli wykonał słynne doświadczenie z rurką wypełnioną rtęcią, w którym wytworzył próżnię i udowodnił istnienie ciśnienia atmosferycznego odpowiedzialnego za horror vacui. Najbardziej efektowną demonstrację potęgi tego ciśnienia zawdzięczamy Otto von Guericke, który 1654 roku przeprowadził sławny eksperyment z półkulami magdeburskimi. Potrzeba było aż czterech par koni z każdej strony, aby rozerwać złączone półkule, z których odpompowano powietrze. Gdy doświadczenie powtórzono w Ratyzbonie przed obliczem cesarskim, użyto większych półkul, których rozerwanie wymagało dwóch zaprzęgów aż po sześć koni.

Prace Torricellego, von Guericke, czy Błażeja Pascala pokazały, że można wypompować z układu powietrze, lecz wcale nie rozwiązały filozoficznego dylematu o istnieniu próżni. Wszak nigdy nie umiemy wypompować całości powietrza. To jeszcze możnaby uznać za trudność technicznej jedynie natury, lecz poza powietrzem przestrzeń, zgodnie z sugestią Kartezjusza, wypełniać może jakaś bardziej subtelna materia. Pogląd ten znalazł swój wyraz w koncepcji eteru, powstałej po odkryciu na początku XIX w. falowej natury światła.

Fale znane z codziennych obserwacji to szczególny typ ruchu ośrodka. Dźwięki zawdzięczamy wibracjom powietrza, a fale morskie ruchom mas wody. Ponieważ zauważono, że światło, będące właśnie falą, może się rozprzestrzeniać w układach opróżnionych z powietrza, wysnuto wniosek o istnieniu eteru - ośrodka odpowiedzialnego właśnie za propagowanie się światła. Eter funkcjonował w fizyce aż do początków XX w., gdy ensteinowska teoria względności odebrała mu rację istnienia. Własności eteru wynikające bowiem z tej teorii odpowiadały atrybutom próżni, więc pozbyto się tego zbędnego bytu. Musiano uznać również, że światło, a ogólniej fale elektromagnetyczne, mogą podróżować w pustce. Wydawało się tedy, że fizyka rozprawiła się ostatecznie z arystotelesowskim poglądem o naturze nieznoszącej próżni.

Triumf rzeczników pustki był jednak krótkotrwały. Kwantowa teoria pola - stanowiąca fundament naszej wiedzy o materii i siłach nią rządzących - już wkrótce zapełniła próżnię kwantami. Zacznijmy od tego, że na gruncie tej teoria nadano pojęciu próżni precyzyjny sens. Przyjęto określać tym terminem stan pozbawiony wszelkich ładunków, mający najmniejszą z możliwych energię i wyglądający identycznie dla wszystkich obserwatorów, tych w ruchu i tych spoczywających. Okazało się jednak, że nawet tak określony stan nie jest pusty w obiegowym sensie tego słowa. Próżnia bowiem, co wykazano na gruncie teoretycznych rozważań, jakby faluje, a mówiąc bardziej fachowo, doświadcza drgań zerowych, które wiążą się z ciągłym powstawaniem i znikaniem kwantów promieniowania i par tworzonych przez cząstki i antycząstki. Kwanty te zaś mogą wpływać na bieg zdarzeń zachodzących w próżni. Gdyby z resztą nie ta ostatnia cecha, fizycy nie zajmowali by się drganiami zerowymi, gdyż zgodnie z zasadą nożyc Ockhama pozbywają się niepotrzebnych bytów.

Teoretycznie przewidziano, a wkrótce i potwierdzono doświadczalnie, że obecność w próżni par elektronówo-pozytonowych minimalnie modyfikuje znane ze szkoły prawo Coulomba mówiące, że siła działająca między dwoma ładunkami jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. W roku 1948 Holender Hendrick Casimir doszedł zaś do zdumiewającego wniosku, że dwie elektrycznie neutralne, równoległe do siebie metalowe płytki winny się przyciągać na skutek drgań zerowych próżni. Istotę tego zjawiska można sobie wyobrazić następująco. W obszarze między płytkami mogą powstawać nie wszystkie, lecz tylko pewne określone drgania - tak samo jak umocowana z dwóch stron struna daje pewien charakterystyczny dźwięk. Na zewnątrz płytek generowane są natomiast wszystkie możliwe drgania. Sprawia to, że gęstość kwantów promieniowania mniejsza jest na zewnątrz niż między płytkami, a co za tym idzie pojawia się ciśnienie popychające płytki ku sobie. Siła wyliczona przez Casimira okazała się tak fantastycznie maleńka, że musiało upłynąć pół wieku nim udało się zaobserwować jej obecność.

Amerykanin Steven K. Lamoraux ogłosił właśnie wyniki niezwykle finezyjnego doświadczenia, w którym zdołał zmierzyć siłę tak małą, jak jedna dziesieciomiliardowa kilograma. Badał on przyciąganie się dwóch kilkucentymetrowych płytek kwarcowych, na które napylono warstwę miedzi i złota. Jedna z płytek była płaska, druga natomiast miała powierzchnię będącą wycinkiem sfery. (Próby z dwoma płaskimi płytkami kończyły się niepowodzeniem - po ich zbliżeniu na odległość rzędu jednej tysięcznej milimetra dochodziło do niepożądanego kontaktu w jakimś punkcie powierzchni.) Płaską płytkę umocowano do ramienia wahadła torsyjnego, dzięki któremu zmieniano odległość między płytkami, zaś sferyczną do przetwornika piezoelektrycznego mierzącego siłę Casimira. Całość umieszczono w komorze próżniowej. Lamoraux nie tylko zaobserwował występowanie samej siły, ale i zmierzył jej zmienność z odległością. Wyniki pomiarów zgadzają się z dokładnością do 5% z przewidywaniami teorii.

Rezultaty amerykańskiego fizyka ujawniają wprost niewiarygodne możliwości współczesnego eksperymentu, pokazują również, że marzenia autorów powieści fantastyczno-naukowych o statkach kosmicznych napędzanych drganiami zerowymi próżni nie są pozbawione racjonalnego ziarna.

(POLITYKA 20, 1997)