Câmp cuantic (reprezentare computerizată)

Pentru a putea cântări spaţiul gol, trebuie să vedem despre ce vorbim, întâi de toate. Dacă ne străduim să eliminăm dintr-o zonă din spaţiu toate particulele şi radiaţiile posibile, atunci rămânem cu ceea ce numim vid. Vidul mai este definit şi "starea de energie minimă". Spaţiul intergalactic este o bună aproximare a vidului, dat fiind că distanţele dintre corpurile cereşti sunt enorme în univers, iar în spaţiul dintre galaxii nu există aproape nimic. Ori nu e chiar aşa?


Spaţiul gol, ocupat de câmpurile cuantice

Fizica modernă complică mult povestea vidului. Teoria câmpurilor cuantice, o variantă a mecanicii cuantice, spune că, în fapt, particulele sunt doar vibraţii ale câmpurilor cuantice.

"Cărămizile" fundamentale ale Naturii sunt nu particulele, ci câmpurile cuantice. Ce sunt aceste câmpuri cuantice? Sunt un fel de substanţe fluide care sunt prezente pretutindeni în univers şi care vibrează în moduri stranii. Ce caracterizează aceste câmpuri sunt anumite valori în fiecare punct din spaţiu-timp. Deci câmpurile cuantice au valori, iar aceste valori se schimbă în timp. Aşadar, un electron, de exemplu, este doar o vibrație localizată a câmpului electronic. Toate particulele, de fapt, sunt la fel, vibraţii ale unor câmpuri.

Aceste câmpuri cuantice interacţionează între ele; de exemplu, o vibrație a câmpului electronic induce o vibrație în câmpul fotonic. Mai departe, vibrația câmpului fotonic transportă energia și impulsul către o altă vibrație a electronului și este absorbită.

 

Vidul nu arată aşa:




ci aşa:



Reprezentare grafică a vidului, ilustrând agitaţia câmpurilor cuantice



O vreme s-a crezut că dacă scoatem totul dintr-o cutie etanşă vom ajunge să avem vid absolut. Astăzi înţelegem că vidul absolut, chiar şi dacă scoatem orice particulă de materie şi blocăm orice formă de radiaţie să intre în cutia noastră, este un vis. Chiar când eliminăm totul, rămân totuşi cel puţin câmpurile cuantice, care sunt pretutindeni, fără excepţie, şi cumva suprapuse, în sensul că în fiecare punct din spaţiu le găsim pe toate...

În spaţiu gol câmpurile au valoarea zero, cu o excepţie notabilă: câmpul Higgs, care are o valoare diferită de zero. Dar un principiu al mecanicii cuantice denumit principul incertitudinii al lui Heisenberg nu permite ca aceste câmpuri cuantice să fie totuşi complet liniştite. Ce înseamnă asta? Că toate câmpurile cuantice fluctuează în mod continuu. Aceste fluctuaţii, denumite fluctuaţii ale vidului cuantic (sau particule virtuale), pot fi măsurate de către cercetători. A fost determinată experimental o forţă denumită forţa Casimir, care, în esenţă, arată cum două plăci de metal foarte subţiri şi foarte apropiate una de alta sunt împinse una spre alta de aceste fluctuaţii cuantice.

Astăzi putem calcula, de pildă, fluctuaţiile ce au loc în câmpurile cuantice ale quarcurilor şi ale gluonilor.

 


Activitate gluonică în vid

 


Activitatea spontană a câmpurilor cuantice implică energie. În fapt o cantitate infinită de energie. Ce putem noi calcula sunt modificările energiei, în cadrul unor experimente ca cel care presupune identificarea forţei Casimir.


Gravitaţia şi câmpurile cuantice

O problemă serioasă avem atunci când ne gândim la modul în care această energie infinită prezentă în spaţiul gol, asociată activităţii câmpurilor cuantice, afectează gravitaţia.  În principiu, câmpurile cuantice ar trebui să aibă o influenţă clară asupra gravitaţiei, dar experimentele efectuate ne arată că gravitaţia în vid este foarte aproape de zero (până de curând s-a crezut că este chiar zero).


Energia întunecată

Sondând vidul, măsurând densitatea acestuia, cercetătorii au descoperit "energia întunecată". Energia întunecată este o „substanţă misterioasă", adică nu prea avem idee ce este în realitate, care reprezintă aproximativ 70% din totalul de energie din univers şi care  este responsabilă de expansiunea accelerată a universului.

Din păcate orice calcul realist cu privire la energia vidului oferă o valoare a densităţii de energie de 10100 ori mai mare decât densitatea de energie măsurată efectiv pe baza acceleraţiilor supernovelor. Aceasta reprezintă una dintre cele mai mari probleme din fizică. O idee recentă pentru a evita această problemă spune că valorile mici măsurate ale energiei întunecate ar reprezenta un un accident care se manifestă doar în colţul nostru de univers.

S-a realizat un progres important prin identificarea unui mod de a scăpa de infinit din calcule. Un set de câmpuri cuantice, al bosonilor, are o densitate a energiei asociată unei infinităţi pozitive, pe când un alt set de câmpuri, cel al fermionilor, are o densitate asociată unei infinităţi negative. Teoriile supersimetriei permit o anulare a infiniţilor.


Câmpuri nefluctuante


Pe lângă câmpurile cuantice fluctuante, amintite, există şi câmpuri nefluctuante,  denumite "condensaţi", precum condensatul Sigma şi condensatul Higgs. E posibil să existe şi alte astfel de câmpuri nefluctuante.

Aceste câmpuri ar trebui, şi ele, să adauge la "greutatea" vidului. Estimările existente menţionează valori mut mai mari decât cele ale energiei întunecate.

Am ajuns la final! Nu am ajuns la o valoare a "greutăţii" spaţiului gol, sper că nu aţi aşteptat aşa ceva :), dar am făcut un inventar al celor nevăzute care rezidă la nivel fundamental, în ţesătura fundamentală a spaţiu-timpului.

Poate, citind acest articol, veţi renunţa la a mai imagina spaţiu-timpul ca fiind doar un container pentru materia vizibilă, căci spaţiu-timpul este, după cum am explicat pe larg în articol, "locuit" pretutindeni de câmpuri cuantice şi energia întunecată, orice o fi însemnând aceasta.


Mai multe articole Scientia în legătură cu teoria câmpurilor cuantice:
Cum produce un electron câmpul electromagnetic?
Cum se transformă o particulă elementară într-o altă particulă elementară?
Ce sunt particulele virtuale, conform QFT?
QFT. Foarte scurtă introducere     
Ce este Universul la nivel fundamental

Articol inspirat din How Feynman diagrams almost saved space