Czy próżnia jest pusta? (Z serii Tropy na świeżym śniegu) / Józef Częścik (twitterowy Zellker_LI)

0
30

Człowiek od niepamiętnych czasów zadaje sobie pytanie, czym jest rzeczywistość, w której
przyszło mu żyć, i czy istnieje tylko to, co może on spostrzec zmysłami, czy coś jeszcze więcej. Odpowiedzi padały różne, mniej lub bardziej trafne, ale nie było bodajże żadnej cywilizacji, która by nie usiłowała mierzyć się z tymi zagadnieniami. W naszym kręgu kulturowym, począwszy od Empedoklesa, zaczęto przyjmować, że cztery żywioły natury –
ogień, powietrze, woda i ziemia – są jednocześnie czterema elementami, z których zbudowana jest cała materia. Za Empedoklesem poszedł między innymi Platon, zdaniem którego żaden z tych pierwiastków nie był jednorodny, występowały one bowiem w przyrodzie w różnych formach. Powietrze, na przykład, składało się z wielu „gatunków” z najjaśniejszym i najsubtelniejszym eterem na czele. „[…] Dalej [następował] gatunek bardzo zmącony, zwany mgłą i zmierzchem, wreszcie wszystkie inne gatunki, którym brak nazw” (Timajos, 58d).

Arystoteles (O niebie) zgodził się z poprzednikami, że cała materia składa się z czterech elementów, ale oprócz nich, jego zdaniem, jest jeszcze piąty – eter, będący już samodzielną substancją wypełniającą wolną przestrzeń między pozostałymi, nie zaś platońskim „gatunkiem” powietrza. Odtąd eter, noszący później również łacińską nazwę kwintesencja (quinta essentia – ‘piąta substancja’), zagościł na dobre w myśli starożytnej i średniowiecznej. Jego istnienie przyjmowali również nowożytni myśliciele, m.in. Izaak Newton, Robert Boyle, Rene Descartes, Immanuel Kant. W XIX wieku interesująca nas idea wyewoluowała od filozoficznego eteru-kwintesencji do fizykalnego eteru jako ośrodka rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, w tym także światła. Jednakże została ona odrzucona przez fizyków po doświadczeniach Alberta A. Michelsona (1881), powtórzonych przez niego i Edwarda Morleya z większą dokładnością (tzw. doświadczenie Michelsona- Morleya, 1897). Ostatecznie szczególna teoria względności Alberta Einsteina (1905) pogrzebała XIX-wieczną teorię eteru. Niemniej 15 lat później sam Einstein wraca tylnymi drzwiami do odrzuconej hipotezy (1920, 1924). „Zgodnie z ogólną teorią względności przestrzeń bez eteru jest nie do pomyślenia” – kończy swój wykład 5 maja 1920 roku na uniwersytecie w Lejdzie [1]. Natomiast współtwórca fizyki kwantowej Paul Dirac nigdy nie odciął się od tej idei. W artykule Czy istnieje eter?, ogłoszonym w znanym magazynie „Nature” (nr 168) w 1951 roku, Dirac nie widzi sprzeczności między teorią względności a teorią eteru jako próżnią kwantową.

Co prawda eter jako ośrodek dla fal elektromagnetycznych okrył się w fizyce niesławą, podobnie jak nieistniejące perpetuum mobile, kamień filozoficzny czy eliksir nieśmiertelności, lecz bez przerwy wraca jako problem pod różnymi nazwami: próżnia kwantowa, stan próżni, stan o najniższej energii, morze Diraca etc. Niekiedy wśród fizyków i filozofów nauki rozlegają się głosy, że „próżnia, [która] nie jest Niczym […], stanowi największą zagadkę Wszechświata” [2] .

W przestrzeni kosmicznej istnieje „prawie próżnia” zawierająca od jednej do kilkudziesięciu tysięcy (aż do miliarda?) cząsteczek na centymetr sześcienny [3]. Oczywiście nie chodzi nam o taką próżnię, gdzie występuje ekstremalnie niskie rozrzedzenie materii w postaci gazu. Mamy na myśli próżnię absolutną, w której ciśnienie i liczba cząsteczek wynosi zero. O próżnię będącą innym stanem energii niż materia lub promieniowanie. O próżnię, która obok „czterech elementów” znanych współczesnej fizyce – barionów (tworzących znaną nam zwykłą materię), neutrin (ekstremalnie małych cząsteczek obojętnych elektrycznie), promieniowania i ciemnej materii znanej jedynie z oddziaływania grawitacyjnego – stanowi quinta essentia, kwintesencję jako fundamentalną moc Wszechświata. A może o próżnię, która być może jest tożsama z hipotetyczną ciemną energią (nie mylić z ciemną materią!) stanowiącą około 70% masy Wszechświata? To, co jest możliwe do zaobserwowania, stanowi zwykłą materię równą zaledwie 5% kosmicznej masy, zaś jej około 25% stanowi ciemna materia otaczająca między innymi galaktyki. Czym natomiast jest to, co obejmuje ponad dwie trzecie masy Wszechświata? Czy ukrywa się za nimi coś, co jedni nazywają próżnią kwantową, inni ciemną energią, a jeszcze inni być może określiliby jako kosmiczny eter albo superluksonowy (nadluksonowy) poziom energii?

Niżej zamierzam przedstawiać własne przemyślenia na temat natury próżni. Jednakże czy odpowiadają one rzeczywistości? Odpowiedź na to pytanie należy do przyszłości, być może nie aż tak bardzo odległej.

Wszystko, co stanowi zwykłą materię (zwaną niekiedy koinomaterią, od greckiego koine – ‘powszechny’), antymaterię, ciemną materię, promieniowanie itd., możemy określić wspólnym mianem energii. I rzeczywiście, jest to energia, to znaczy coś, co zostało wprawione w ruch, co jest aktywne, co powoduje jakiś skutek (po grecku energeia to ‘działanie’, ‘czynność’, ‘skuteczność’). Ten rodzaj energii moglibyśmy nazwać energią ujawnioną, ponieważ została „odtajniona” (zamanifestowana, uwidoczniona, wprawiona w
ruch) we Wszechświecie i, między innymi dzięki naszym zmysłom, wiemy, że istnieje. Cokolwiek widzimy, słyszymy, wąchamy, smakujemy, czujemy przez skórę lub z wnętrza organizmu, jest przejawem energii ujawnionej. Dotyczy to oczywiście także wszystkiego, co dociera do nas za pomocą narzędzi, którymi się posługujemy (teleskopy, mikroskopy, komputery etc.). Również fale elektromagnetyczne, nieodbierane przez nasze zmysły (fale radiowe, mikrofale, promienie rentgenowskie i gamma), ale o których istnieniu wiemy, należą do świata energii ujawnionej. W XX wieku nauka otworzyła się na poziom subatomowy kwarków i gluonów; one także należą do tego świata. Krótko mówiąc, wszystko, czym zajmują się naukowcy – fizycy, chemicy, biolodzy i oczywiście astronomowie – jest energią ujawnioną w różnej postaci.

Moim zdaniem, to jeszcze nie jest cała rzeczywistość. Oprócz energii ujawnionej może istnieć również energia latentna. Przymiotnik latentny pochodzi od łacińskiego latens (latentis), a to słowo z kolei od czasownika latere (lateo) – ‘kryć się’, ‘ukrywać’, ‘być ukrytym’, ‘być (przynajmniej na razie) niewidocznym’. Tak więc energia latentna to energia
ukryta, nieujawniona, taka, która jest, ale nie została uzewnętrzniona w jakiejkolwiek formie. Tworzy ona próżnię absolutną, czyli to, co „wypełnia” przestrzeń między jakimikolwiek ciałami (cząstkami), począwszy od subatomowych po kosmiczne. Kartezjusz wyobrażał sobie, że wszystkie ciała są „zatopione” w eterze, jak my jesteśmy „zatopieni” w powietrzu, i razem z nim tworzą rozciągłą materię. Tak należałoby, według mnie, rozumieć też próżnię – jako rodzaj substancji będącej rzeczywistym środowiskiem dosłownie dla wszystkiego, co istnieje.

Od starożytności powtarzane są słowa, że natura nie znosi próżni (horror vacui – ‘obawa próżni’), to znaczy natura „nie zakłada” niebytu. Zdaniem Arystotelesa, próżnia-eter jako niebyt jest absurdem. Próżnia to „przestrzeń” między bytami (rzeczami), co jednak nie znaczy, że jest ona pustką, bezwzględnie niczym. „Próżnia drzemie jak olbrzym w absolutnym, wydaje się, bezruchu” – powiada Włodzimierz Sedlak [4] i prawdopodobnie ma rację.

Wiele wskazuje na to, że próżnia jest energią zerową. Próżnia powinna mieć kwantowy charakter, lecz wydaje się nieprawdopodobne, by rzeczywisty kwant próżni miał jakąkolwiek masę, ruch (drgania), natężenie. Jest ona energią pozostającą w absolutnym spoczynku. Mimo że doskonała próżnia pozostaje w zupełnym bezruchu, stanowi ona ośrodek dla wszelkiego ruchu, czyli dla tego, co wyżej zostało nazwane energią ujawnioną. Innymi słowy, wszystko jest „zatopione” w próżni, próżnia jest wszędzie i jest od zawsze, czyli – jest wieczna. Cokolwiek kiedykolwiek powstało, powstało pierwotnie z próżni. Wszechświat wyłonił się z próżni. Wszelka energia wzięła swój początek z energii latentnej. Przed Godziną Zero-Zero, od której zaczął się Wielki Wybuch, mogła być jedynie energia latentna o absolutnej wartości zero. Jeśli całkowita energia Wszechświata wynosi zero, ponieważ energię wszelkiej materii anihiluje grawitacja – jak zakładają fizycy, m.in. Stephen Hawking w Teorii wszystkiego – czyż nie jest to argument za zerowym stanem energii jako próżni przed Godziną Zero-Zero?

Załóżmy, przynajmniej na razie, że istnieją tachiony, czyli cząsteczki poruszające się szybciej od światła, co postulował m.in. George Sudarshan. Wszystko, co porusza się szybciej od prędkości światła wynoszącej prawie 300 000 km/s, zachowuje się inaczej niż energia ujawniona, w tym także światło (fotony). Z transformacji Lorentza wynika, że im niższa jest energia tachionu, tym bardziej wzrasta jego prędkość. Innymi słowy, gdy prędkość (v) zbliża się do nieskończoności, energia (E) zbliża się do zera. Załóżmy, że prędkość tachionowej cząsteczki osiągnęła nieskończoność, wówczas jej energia powinna wynieść zero. Czy to właśnie byłby stan próżni? Jednakże hipotetyczne tachiony to jeszcze nie właściwa próżnia, to raczej obszar rzeczywistości, który moglibyśmy określić jako poziom superluksonowy (lukson to cząstka poruszająca się z prędkością światła c).

Jakie „właściwości” miałaby próżnia absolutna? Po pierwsze, zerową masę spoczynkową (brak jakiejkolwiek masy). Po drugie, informacja przemieszczałaby się w niej z nieskończoną prędkością (∞), co oznacza, że informacja z punktu A rozprzestrzeniałaby się
po całej próżni i także całej czasoprzestrzeni od razu. A więc docierałaby natychmiast (!) do
wszystkich zakątków Wszechświata. Czy prawa panlogiki, to znaczy prawa szeroko rozumianej logiki obejmującej również matematykę, nie są taką informacją? Czy prawa przyrody (gr. phýsis), głównie prawa fizyki i prawa chemii, także nie mają takiego charakteru, choć mogą być one zawężone do określonych poziomów rzeczywistości? Próżnia absolutna, mimo że przenika każdy byt istniejący w czasoprzestrzeni, sama istnieje poza czasem i poza przestrzenią, istnieje bowiem poza wszelkim ruchem, jako że właśnie ruch „stwarza” oba te wymiary: czas oraz przestrzeń.

W fizyce od około wieku mówi się o dualizmie korpuskularno-falowym, czyli takim zachowaniu się kwantów energii (fotonów, elektronów), które raz jawią się jako cząstka (korpuskuła), innym razem jako fala. Światło jako strumień fotonów w różnych środowiskach (np. w wodzie, szkle, diamencie) biegnie z różną prędkością, ale w przestrzeni kosmicznej jest to ściśle określona najwyższa jego prędkość (c) wynosząca dokładnie 299 792 458 m/s. Tej granicy nie przekroczyła żadna cząstka promieniowania lub materii obserwowana przez człowieka, nawet w najpotężniejszym akceleratorze CERN. Żeby lepiej zrozumieć zachowanie się strumienia fotonów, wykonajmy samodzielnie pewien prosty eksperyment: rozciągnijmy długopisową sprężynkę najpierw nieznacznie, a potem coraz bardziej, aż na długość 6–8 cm. Spójrzmy na nią teraz z boku – sprężynka zamieniła się w falę. Wyobraźmy sobie, że po takiej sprężynce-fali biegną miniaturowe kuleczki zwane fotonami (albo, inaczej, kwantami energii) z szybkością nieco poniżej 300 000 km/s. Jak wygląda ów bieg? Zanim spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie, zastanówmy się najpierw, jak może być zbudowana próżnia. Powinna ona mieć strukturę kwantową, to znaczy być utworzona z pozbawionych masy „odrobinek” (kwantów) energii pozostających w absolutnym spoczynku (bezruchu), dopóki coś ich nie pobudzi do aktywności. Takim „pobudzaczem” może być foton będący jednym z kwantów, z tą jednak różnicą, że on nie „drzemie”, ale „galopuje” ruchem falowym (spiralnym?) z prędkością około 300 000 km/s. Ten galop fotonu to również uproszczenie, nie „galopuje” bowiem jeden i ten sam foton poprzez próżnię (np. ośmiominutową odległość między Ziemią a Słońcem), ale pobudza sąsiadujący z nim dotychczas „drzemiący” kwant energii, ten drugi pobudza kolejnego sąsiada, jakim jest trzeci kwant, trzeci pobudza czwarty, czwarty pobudza piąty itd. Przypomina to bieg ze sztafetą. Popatrzmy raz jeszcze na naszą rozciągniętą sprężynkę od długopisu. Co ona przypomina, gdy oglądamy ją z boku? Falę. A czym jest, jeśli jej mikronowe odrobinki materii potraktujemy w taki sposób, jakby były one kwantami energii? Korpuskułami (odrobinkami) energii. To, czy światło albo jakakolwiek inna energia elektromagnetyczna jest falą, czy korpuskułą, zależy od naszej obserwacji: jeśli patrzymy na całą drogę, widzimy falę; jeśli natomiast patrzymy na „ruch” zamknięty w jednym „kadrze” (w „stopklatce”), widzimy korpuskułę. Fotony, czyli kwanty energetyczne będące w ruchu, należą do energii ujawnionej i możliwej do obserwowania przez nas, tymczasem kwanty energii pozostające w całkowitym bezruchu („śpiące fotony”) należą do energii latentnej, a więc tej, która nie jest możliwa do obserwacji. Ta ostatnia nie istnieje dla naszych zmysłów ani pomiarów, możemy jednak o jej istnieniu wnioskować na podstawie pośrednich obserwacji.

W mechanice kwantowej mówi się o fluktuacji kwantowej, czyli wahaniach (zmienności) próżni. Próżnię przenikają liczne pojawiające się w niej nagle i natychmiast znikające cząstki, co wykazuje efekt Casimira. Powstają one spontanicznie bez żadnego źródła energii, dlatego to zjawisko zdaje się naruszać zasadę zachowania energii. Jeśli energię ujawnioną i energię latentną potraktujemy jako całość, czyli jedność energetyczną, wówczas nie dochodzi do naruszenia wspomnianej zasady. Jeśli zaś odrzucamy ideę energii latentnej, zasada ta okazuje się problematyczna.

Czy próżnia byłaby zatem reaktywowanym eterem, aczkolwiek nie tym w XIX- -wiecznym wydaniu, który miał stawiać opór podczas wirowania Ziemi lub innego ciała? Jeśli istnieją tachiony w postaci energii superluksonowej, to tę energię można by ewentualnie określić jako eter. Jednakże to nadal nie byłaby próżnia absolutna. Próżnia, jak się wydaje, powinna być fizycznie doskonała, czyli… pozbawiona wszelkich parametrów fizyki: czasowych, przestrzennych oraz innych parametrów, takich jak pęd, ruch, masa, położenie. Mimo to byłaby energią, ba, nawet więcej: pierwotnym źródłem wszelkiej energii. Według starożytnej myśli Wschodu, której echa można znaleźć w hinduizmie i częściowo w buddyzmie, cały Wszechświat składa się z dwóch substancji: materii i akaśi. Akaśa (akasza) jest wszechobecna, przenika bowiem wszystko, i wszystko, co istnieje, pochodzi od niej. W niej „zapisane” są wszelkie informacje: wydarzenia, zjawiska, myśli i czyny. Według religii Abrahamowych (judaizmu, chrześcijaństwa, islamu) oprócz świata materialnego istnieje również świat ducha, który przypomina wschodnią akaśię, a ta z kolei – próżnię absolutną. Baruch Spinoza rzeczywistość ducha nazywa wszechobecną boskością (Etyka, cz. I, tw. 15). Czy próżnia absolutna może być pierwotną, fundamentalną, wszechobecną, boską rzeczywistością? Na to pytanie próbuję odpowiedzieć, uwzględniając szerszy kontekst, w pierwszym wydanym już tomie Lazurowej Idei a zatytułowanym „O rzeczywistości”.

Józef Częścik (twitterowy Zellker_LI)

 

Przypisy:

1 A. Einstein, Ether and the Theory of Relativity, tłum. ang. G. Barker Jeffery, W. Perrett, [w:] Sidelights on Relativity, London 1922.

2 W. Sedlak, Na początku było jednak światło, Warszawa 1986, s. 27.

3 Dla porównania: w jednym centymetrze sześciennym naszej atmosfery jest ich 2,7 x 10¹⁹, czyli 27 trylionów
(= 27 miliardów miliardów) cząstek.

4 W. Sedlak, dz. cyt., s. 27.

Obraz wyróżniający: Komora próżniowa (NASA). Autorstwa NASA JPL-Caltech – http://www.jpl.nasa.gov/stars_galaxies/features/mam-testbed.cfm, Domena publiczna, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1514478