Imaginea ilustrează fluctuațiile dinamice ale câmpurilor de energie din vidul cuantic asociate perechilor quarc–antiquarc cu spinul aliniat.
Credit: Valerie A. Lentz/Brookhaven National Laboratory
Mult timp, vidul a fost considerat pur și simplu un spațiu gol, lipsit de orice conținut. Fizica modernă, în special teoria câmpurilor cuantice, a arătat însă că această imagine este fundamental greșită. Vidul nu este absența totală a materiei, ci starea de energie minimă a câmpurilor fundamentale care umplu universul. În această stare aparent „goală”, apar permanent fluctuații cuantice care pot genera perechi efemere de particule și antiparticule. Un experiment recent realizat la Relativistic Heavy Ion Collider din Statele Unite a oferit una dintre cele mai clare dovezi de până acum că aceste fluctuații pot deveni materie reală, detectabilă.
Vidul cuantic nu este gol, ci plin de activitate
În teoria câmpurilor cuantice, toate particulele fundamentale sunt excitații ale unor câmpuri fundamentale care există peste tot în spațiu. Chiar și în absența materiei și a radiației, aceste câmpuri nu sunt complet inactive. Ele prezintă fluctuații inevitabile, impuse de principiul incertitudinii al mecanicii cuantice.
Aceste fluctuații pot produce perechi de particule și antiparticule, numite particule virtuale. De exemplu, poate apărea o pereche quarc–antiquarc sau electron–pozitron, care există pentru un interval extrem de scurt, după care se anihilează reciproc. Aceste particule nu pot fi observate direct, deoarece existența lor este limitată la scări de timp extrem de mici și nu pot fi detectate ca particule libere.
Totuși, efectele lor sunt reale și măsurabile. Particulele virtuale joacă un rol esențial în interacțiunile fundamentale, inclusiv în interacția electromagnetică și în interacțiunea nucleară. Ele acționează ca intermediari ai forțelor și contribuie la proprietățile observabile ale materiei.
Experimentul care a transformat fluctuațiile în materie reală
Pentru a studia aceste procese, fizicienii au analizat datele obținute la Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un accelerator de particule capabil să ciocnească protoni la energii foarte mari. În aceste coliziuni, energia cinetică a particulelor este suficient de mare pentru a transforma particulele virtuale în particule reale, printr-un proces permis de relația dintre energie și masă descrisă de ecuația lui Einstein, E = mc².
Cercetătorii au studiat în mod special formarea unor particule numite hiperoni lambda și antiparticulele lor, antihiperonii lambda. Aceste particule sunt alcătuite din trei quarcuri. Hiperonul lambda conține un quarc „up”, un quarc „down” și un quarc „strange”, în timp ce antihiperonul conține antiquarcurile corespunzătoare.
Aceste particule sunt instabile și se dezintegrează rapid, în mai puțin de o miliardime de secundă. Totuși, direcția în care sunt emiși produșii de dezintegrare permite determinarea unei proprietăți fundamentale a particulei inițiale: spinul.
Spinul este o proprietate cuantică intrinsecă a particulelor, echivalentă formal cu momentul cinetic, dar care nu corespunde unei rotații clasice în spațiu. Este una dintre proprietățile fundamentale care definesc comportamentul particulelor elementare.
Corelația spinurilor arată originea în vidul cuantic
Analizând milioane de coliziuni proton–proton, cercetătorii au observat un fenomen remarcabil. Hiperonii lambda și antihiperonii lambda produși în apropiere unul de celălalt aveau spinurile corelate. Mai precis, direcțiile spinurilor lor nu erau aleatorii, ci aliniate.
Această corelație nu poate fi explicată prin procese clasice obișnuite. Explicația oferită de teoria câmpurilor cuantice este că aceste particule provin din perechi de quarcuri și antiquarcuri virtuale generate în vidul cuantic. Aceste perechi virtuale posedă deja proprietăți corelate, inclusiv spinuri corelate.
Atunci când energia furnizată de coliziune este suficientă, aceste perechi virtuale nu se mai anihilează imediat. Ele capătă suficientă energie pentru a deveni particule reale, detectabile. În acest proces, ele își păstrează proprietățile cuantice inițiale, inclusiv corelația spinurilor.
Aceasta reprezintă o dovadă experimentală directă că particulele reale pot proveni din fluctuațiile vidului cuantic și că proprietățile lor fundamentale sunt determinate încă din această fază virtuală.
Rolul inseparabilității cuantice
Rezultatele sugerează că perechile de quarcuri virtuale sunt într-o stare de inseparabilitate cuantică, o proprietate fundamentală a mecanicii cuantice. În această stare, proprietățile celor două particule sunt corelate într-un mod care nu poate fi explicat prin fizica clasică.
Această corelație persistă chiar și după transformarea particulelor virtuale în particule reale. Cu alte cuvinte, informația cuantică prezentă în vidul cuantic este transferată materiei reale.
Aceasta demonstrează că proprietățile fundamentale ale materiei vizibile pot avea originea directă în structura vidului cuantic.
O fereastră către originea materiei
Acest experiment oferă o perspectivă directă asupra procesului prin care materia poate apărea din vidul cuantic. El confirmă predicțiile teoriei câmpurilor cuantice și arată că vidul nu este un simplu fundal pasiv, ci o componentă activă a realității fizice.
În esență, materia nu apare din „nimic” în sens absolut, ci din fluctuațiile inevitabile ale câmpurilor cuantice fundamentale. Energia furnizată de coliziuni permite acestor fluctuații să devină permanente, transformând particulele virtuale în particule reale.
Implicații pentru fizica fundamentală și tehnologie
Înțelegerea modului în care materia apare din vidul cuantic are implicații profunde pentru fizica fundamentală. Ea contribuie la clarificarea relației dintre lumea cuantică și lumea macroscopică și oferă indicii despre originea proprietăților materiei.
Aceste cercetări sunt relevante și pentru domenii tehnologice emergente, inclusiv calculul cuantic și studiul materialelor cuantice. Ele pot ajuta la înțelegerea modului în care proprietățile cuantice sunt transferate și conservate în sisteme reale.
Mai mult, aceste rezultate contribuie la înțelegerea structurii fundamentale a universului. Ele arată că vidul cuantic nu este gol, ci reprezintă fundamentul din care poate apărea materia însăși.
Experimentul confirmă una dintre cele mai profunde idei ale fizicii moderne: realitatea vizibilă nu este separată de vidul cuantic, ci emerge din el, ca o manifestare a fluctuațiilor câmpurilor fundamentale care alcătuiesc universul.
Sursa: ConnectSci Vezi și: Nature.
