NIHIL COMO UN VACUO
Que poterea esser un fonte permanente, deciditemente non-zero de energia in
le Universo, con consequentias cosmic? Robert Matthews trova que le vacuo
es longe de esser vacue.
Robert Matthews, Correspondente Scientific, the London Sunday Telegraph
De New Scientist, 25 de februario de 1995, Vol.145, Nº 1966, pp. 30-33.
Copyright © Reed Business Information, New Scientist 1995
ILLO es ubicunque circa te, ben que tu non pote sentir lo. Su effectos pote
haber illuminate le Universo in le big bang mais hodie illo solo illumina
tu officina. Illo es le fonte de toto, totevia es nihil. Tales es le
characteristicas paradoxal de un del plus calide topicos del physica
contemporanee -- le vacuo. Illo prova esser un pais-del-meravilias de
effectos magic: campos de fortia que emerge de nulle parte, particulas que
salta a intra e a foras del existentia e oscillationes energetic con nulle
fonte de fortia apparente.
Multe recercatores vide le vacuo como un ingrediente central del physica
del seculo 21. "Nos sape ora que le vacuo pote haber tote sortas de
effectos meraviliose super un enorme extension de scalas, del microscopic
al cosmic", dice Peter Milonni del Los Alamos National Laboratory in New
Mexico. Alcunes mesmo contempla le perspectiva de subjugar le proprietates
bizarre del vacuo pro provider un supplimento illimitate de energia.
Le proprietates miraculose del vacuo se ramifica totes de un combination de
theoria quantic e relativitate. Como Werner Heisenberg monstrava quasi 70
annos retro, le mechanica del mundo subatomic significa que un incertitude
es vinculate a qualcunque mensuration de proprietates physic tal como le
energia. Iste incertitude se manifesta in fluctuationes aleatori e sin
causa in le energia: quanto major le fluctuation, tanto minus tempore illo
dura.
Gratias al famose equation de Einsten E = mc², le principio del incertitude
de Heisenberg tamben implica que particulas pote papilionar a intra e a
foras del existentia, lor duration dictate solmente per lor massa. Isto
duce al surprendente conclusion que, ubicunque circa nos, particulas
subatomic perpetuemente appare del nihil, e alora dispare de novo intra
circa 10--23 secundas. Assi, le "spatio vacue" non es realmente vacue del
toto, mais un mar fervente de activitate que pervade le Universo integre.
Relativemente fluide
Un tal imagine es inquietantemente reminiscente del ethere -- un idea
discreditate que tormentava le physica usque le initio de iste seculo. Mais
le theoria special del relativitate de Einstein monstrava que le physica
functionava perfectemente ben sin iste fluido estranie e totalmente
pervasive, que on supponeva esser le medio trans le qual le luce e altere
interactiones viagiava de loco a loco. Isto non significa que un fluido
universal non pote exister, mais significa que un tal fluido debe conformar
se al dictamines del relativitate special. Le vacuo non es fortiate a esser
mer fluctuationes quantic circa un stato medie de ver "nihilitate". Illo
pote esser un fonte permanente, non-zero de energia in le Universo.
Isto ha consequentias cosmic. Le relativitate special exige que le
proprietates del vacuo debe parer le mesme pro tote le observatores,
qualcunque sia lor velocitate. A fin que isto sia ver, le pression del
"mar" de vacuo debe annullar exactemente su densitate de energia. Illo es
un condition que sona satis innocue, mais illo ha alcun consequentias
surprendente. Illo significa, per exemplo, que un certe region de energia
del vacuo retene le mesme densitate de energia, malgrado quanto le region
se expande. Isto es estranie, pro dicer le minimo. Compara lo con le
comportamente de un gas ordinari, cuje densitate de energia diminue si su
volumine augmenta. Il es como si le vacuo pote haurir un reservoir
constante de energia.
Mais il ha plus. Un del characteristicas-clave del theoria del relativitate
general de Einstein (RG) es que massa non es le unic fonte de gravitation.
In particular, pression, positive o negative, pote tamben dar origine a
effectos gravitational. Si le vacuo ha un densitate de energia (positive)
permanente, illo debe esser balanciate per un pression negative (un
tension). De accordo con le RG, isto debe dar origine a un effecto
gravitational repulsive. Iste characteristica del vacuo jace in le corde de
forsan le plus importante nove concepto in cosmologia del decennio passate:
le inflation cosmic. Disveloppate principalmente per Alan Guth al MIT e
Andrei Linde, ora a Stanford, le idea del inflation cosmic surge del
supposition que le Universo primordial era impacchettate con energia
instabile de vacuo cuje effecto "antigravitational" expandeva le Universo
per un factor de forsan 1050 in solmente 10--32 secundas. Alora le energia
del vacuo se dissipava, lassante fluctuationes aleatori cuje energia
deveniva calor. Perque energia e materia es intercambiabile, le resultato
era le creation de materia que nos ora appella big bang.
De un colpo, le inflation resolve un numero de problemas que habeva
disturbate le cosmologos. Per exemplo, illo explica le coincidentia
apparente que le Universo que nos vide hodie pare vacillar inter expander
se pro sempre e collaber. Le inflation cosmic haberea "applattate" le
superficie initialmente altemente curvate del Universo, e de accordo con
calculos basate sur le RG isto haberea ducite a que le quantitate de
massa-energia que era formate sia sufficiente pro permitter que le Universo
escappa de su proprie gravitate e se expande pro sempre. Assi, le
comportamento del vacuo a circa 15 milliardos de annos retro detene le
clave pro le fato futur del Universo.
Mais ben que illo sia conveniente, le majoritate del cosmologistas crede
que le vacuo ha claudite su sacco de artificios e disparite post haber
inflate le Universo. Un ration es esthetic. Si le vacuo es alco plus que
fluctuationes aleatori circa le ver vacuitate in le Universo de hodie, un
termino extra debe esser addite al RG, e necuno es disposite a render le RG
plus complicate.
Mais alcun recercatores produce evidentia suggerente que alco pote esser
mancante in le RG comocunque. Le autumno passate, equipas dirigite per
Michael Pierce del Kitt Peak Observatory in Arizona, e Wendy Freedman del
observatorios del Carnegie Institute of Washington in Pasadena, California,
ha ambes annunciate discopertas que pone le etate del Universo a circa 8
milliardos de annos. Isto era embarassose, perque il ha solide evidentia
que alcun stellas de nostre Galaxia ha circa duo vices iste etate.
Un exito de iste problema serea un stato de vacuo que non evanesceva post
inflar le Universo. Forsan un minuscule residuo de illo persiste,
providente un suave "pulsion" invisibile sur le contento del Universo. Isto
augmentarea le velocitate al qual le galaxias se distantia le unes del
alteres, e darea le impression que le Universo como illo es ora es plus
proxime al stato del big bang -- e assi plus juvene -- que quanto illo
realmente es.
Le energia del vacuo pote facer plus, totevia. Ben que le inflation predice
que le densitate de massa-energia del Universo es justo al limite inter
expansion e collapso, le astrometros ha trovate solmente inter 10 e 20 per
cento del massa requirite. Alora ubi es le resto? Isto es altere problema
que un vacuo non-zero residual pote resolver. Secundo le equation de
Einstein, un densitate de energia es equivalente a un densitate de massa,
alora le energia del vacuo poterea explicar parte -- forsan le majoritate
-- del massa absente.
Alcun cosmologos, notabilemente George Efstathiou al Oxford University,
estima que a fin que le energia del vacuo solverea iste problemas illo
deberea amontar a 80 per cento del massa-energia del Universo. Mais esque
illo lo face? Chris Kochanek del Harvard-Smithsonian Center for
Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, dice que observationes de
refraction ("lensing") gravitational monstra que illo non succede. Le
reflaction es le phenomeno que occurre quando le luce in su cammino verso
nos desde un fonte multo distante tal como un quasar passa per un galaxia,
e illo es plicate per le gravitate del galaxia. Isto cria multiple imagines
del quasar. Astronomos ha stidiate le celo in cerca de iste effectos, e ha
contate quante objectos refractate illes vide a un distantia specific. Si
alcun energia de vacuo cosmic ancora existe, su effecto gravitational
deberea expander le volumine de spatio includite per un certe distantia e
assi augmentar le numero de lentes gravitational detegite per le studios.
Kochanek calcula que a fin que le vacuo explica le 80 per cento de
massa-energia cosmic requirite, circa de 15 lentes gravitational deberea
haber essite vidite per le studios currente. De facto, solmente 6 ha essite
trovate. Isto, ille dice, se traduce in probabilitates de circa 10 a 1
contra que le energia del vacuo sia plus que circa le medietate de illo de
que le cosmologos necessita. Ille cosmologos qui supporta le idea del
energia del vacuo dice que le observationes de refraction debe haber essite
affectate per pulvere obscurante galaxias distante. Mais Kochanek dice que
il non ha exito, perque tote tal reparos duce a inconsistentias alterubi.
Le debatto continua.
Durante que cosmologos e astronomos alterca super refraction, le physicos
ha considerate le possibilitate que le vacuo poterea responder questiones
plus terren. Le plus intrigante se centra sur le inertia -- le proprietate
del materia que rende cosas pesante difficile de esser movite, mais un vice
in movimento, difficile de esser stoppate. Le inertia es tanto familiar que
su attributos pare foras de question, mais illos ha perplexate scientistas
del calibre de Einstein e Richard Feynman. Si un objecto es in reposo, o in
movimento a velocitate constante, su inertia remane celate. Mais tenta
accelerar lo e le inertia subitemente volve su capite, luctante contra le
cambio de velocitate. Isto es resumite in le secunde lege del movimento de
Newton: F = ma, fortia es equal a inertia vices acceleration.
Mais de ubi le inertia veni? Einstein credeva que illo era de un modo o de
altere inducite in le objectos quandocunque illos se accelera in relation
al resto del Universo, ben que ille nunquam acclarava exactemente como iste
interaction functionava. Ora un gruppo de recercatores statounitese ha date
nove lustro al idea de Einstein: in vice de acceleration relative al
stellas distante, illes crede que inertia es generate per le acceleration
trans le vacuo.
Illes basa lor idea sur un esoteric effecto de vacuo quantic discoperte in
medietate del decennio de 1970 per Paul Davies, ora al University of
Adelaide, e independentemente per William Unruh del University of British
Columbia. Le effecto de Davies-Unruh predice que si tu te accelera trans
illo, le vacuo usualmente uniforme deveni un tepide mar de radiation de
calor secundo tu puncto de vista. Duo annos retro, isto precipitava un
pensata in le mentes de Bernhard Haisch del Lockheed Solar and Astrophysics
Laboratory in Palo Alto e, independentemente, Hal Puthoff del Institute for
Advanced Studies in Austin, Texas. Ambes se questionava si, como le
radiation de calor, le inertia es un producto del acceleration trans le
vacuo.
Jungente fortias con Alfonso Ruenda, un theorico del California State
Universitu, Long Beach, Haisch e Puthoff produceva un nove version del
secunde lege de Newton. De novo, illo ha F pro fortia al latere sinistre, e
a pro acceleration al dextra. Mais in loco de M, lor version presentava un
complexe expression mathematic ligante le inertia al proprietates del
vacuo. Illo implica que fluctuationes in le vacuo da origine a un campo
magnetic que tote objectos move. Si le objecto accelera, su particulas
constituente senti le prisa de iste campo magnetic, cuje resistentia se
manifesta como inertia. Quanto major le objecto, tanto plus particulas illo
contine e tanto plus forte es le reluctantia a suffrer acceleration.
Si le theoria va ben...
Illo es un idea nette, ben que non sin su criticos. Haisch e su collegas
debeva tractar de un problema familiar a qualcunque theorico tentante
intender le vacuo, que es que estimativas del effectos del energia del
vacuo inevitabilemente fini debente summar tote le frequentias de
fluctuation que contribue al energia total del vacuo. Le problema es que
alcun limite de frequentia debe esser imponite, alteremente le resultato es
un vacuo infinitemente energetic. Ancora pejor, tote le suppositiones
sensate quanto a qual esserea le puncto de sectura pote ancora ducer a
valores absurdemente alte, tanto quanto 120 ordines de magnitude foras del
limites determinate per observationes de galaxias distante. Como lo dice le
physico ganiator del premio Nobel Steven Weinberg, del University of Texas,
"Isto debe esser le pejor insuccesso in un estimativa de ordine de
magnitude in le historia del scientia."
Iste problema ha incitate alcun theoricos a cercar un mechanismo que fortia
le energia del vacuo a esser precisemente zero, durante que Haisch e su
collegas ha tentate recurrer a un aliquanto obscur theoria de gravitate que
era schizzate al fin del decennio de 1960 per le physico russe Andrei
Sakharov. De accordo con le theoria de Sakharov, le vacuo non ha effectos
gravitational. Mais Milonni, per exemplo, non es impressionate con le
maniera como Haisch ha applicate le theoria al energia del vacuo.
Tanto importante quanto le altercation sia, illo pallidi al insignificantia
se comparate con altere consequentia del ligamine inter le stato de vacuo e
le inertia. Per alterar le stato de vacuo, pote esser possibile alterar le
inertia del objectos. Isto es le materia del fiction scientific, ben que,
como Haish revela, "Le Historia es plen de impossibilitates transformate in
technologias, desde volar usque finder atomos". Illo tosto stoppa parlar de
vehiculos spatial a energia de vacuo, que "extingue" lor inertia quando
illos vole mover se. "Modificar le inertia pote provar se esser possibile
solmente in le scala atomic, mais non in le scala macroscopic", ille dice.
Intertanto, Haisch e su collegas se concentra in construer un supporto
observational solide pro lor theoria. Plus tarde iste anno, The
Astrophysical Journal publicara un recerca per Rueda, Haisch e Daniel Cole
de IBM in Vermont que suggere que le vacuo representa un rolo clave in le
creation del structura del universo. Illes assere que le vacuo accelera
particulas cargate, scopante los pro formar concentrationes de materia
circumferite per vacuitates cosmic. Le formation de structura in le
Universo es un del plus vetule mysterios del cosmologia, alora serea le
pluma sur le bonetto del theoricos si le vacuo se provarea esser le
ingrediente absente.
Meis le idea le plus provocante a emerger de iste disveloppamentos remane
le perspectiva de manipular le vacuo. Le idea se originava in 1948, quando
Hendrick Casimir del Philips Laboratory in Eindhoven, Hollanda, faceva un
prediction surprendente. Approxima duo plattas plan perfectemente
conductive, ille assereva, e un fortia apparera inter illos, trahente los
le un verso le altere. Ille fortia, ille diceva, es le resultato del
plattas isolante le spatio inter illos del mar fervente circa illos. Il es
como si le resto del vacuo martella le plattas, tentante entrar e forciante
los a unir se.
Nove annos postea, M. J. Sparnaay, tamben a Philips, verificava le
surprendente prediction de Casimir. Le effecto es, totevia,
incredibilemente debile, amontante a un pression de solmente un
cento-millionesimo de un atmosphera sur plattas mantenite a un millesimo de
millimetro de distantia. Illo pote esser estranie, mais illo pote esser
vidite in le fortias intra liquidos e gases (vide "Un breve historia del
vacuo").
Ben que necuno ha le plus debile idea de como augmentar le effecto Casimir
a un magnitude utile, su existentia ha incitate alcun theoricos, inclusive
Cole e Puthoff, a considerar manieras de mitter le vacuo in uso
technologic. In recerca publicate 18 menses retro in Physical Review, illes
revelava que al mesura que le plattas es approximate per le effecto Casimir
illos disveloppa energia cinetic que se transforma in calor quando le
plattas finalmente collide. Illes procedeva a tentar explorar iste effecto
imaginante un "motor" a vacuo consistente de un grande numero de plattas
collisive. Surprendentemente, lor calculos monstrava que un tal motor
poterea de facto haurir energia del puteo sin fundo del vacuo. Il non
haberea multe energia pro jocar. "Plattas de metro quadrate opticamente
polite cadente a un spatiamento de un micron renderea medie nanojaule, e
mesmo si le cadita occurrerea in un millisecunda, illo es solo medie
microwatt -- non multo pro que on scribe a su casa pro contar le novas",
admitte Puthoff. "Es a causa de isto que tu necessitarea de systemas
[throwaway] microscopic currente a un alte taxa." Exactemente qual forma
illos assumerea, necuno sape.
Le solution al incubo del cosmologos, le explication del inertia e le cura
pro le crise energetic mundial? Le vacuo es in periculo de devenir le
responsa de totes pro toto. Mais pare un sponsa secur que le theoricos del
vacuo ha probabilitate de producer alcun grande surprisas durante le
proxime annos. Le philosophos habeva ration: le natura abhorre le vacuo. Le
scientistas del proxime seculo pote plus tosto venir a amar lo.
BREVE HISTORIA DEL VACUO
USQUE circa un seculo retro, le vacuo era solo un vage concepto
philosophic. In le seculo 17, per exemplo, Descartes produceva un argumento
deciditemente dubitose que era impossibile haber vacuo -- isto es, nihil --
separante duo particulas, viste que le particulas per definition non se
separarea del toto.
Ha essite necesse le advento del theoria quantic, con su concepto de
energia veniente in pacchettos discrete, pro dar un talio a tal jocos de
parolas. Insinuationes que il habeva plus in le vacuo que su nomine suggere
emergeva initialmente in 1911, durante recerca de Max Planck, le originator
del concepto del quantum.
Planck discoperiva que un de su equationes pro le energia de un corpore
calide habeva un termino in se que non dependeva del temperatura. In altere
parolas, mesmo al zero absolute le corpore haberea alcun energia residual.
Altere recercatores, inclusive Einstein, trovava terminos similar apparente
in lor proprie investigationes. Isto pareva bizarre, perque de ubi iste
energia poterea venir?
Alora le physicos comenciava a cercar evidentia experimental del existentia
de iste "energia de nulle parte". In 1925, le chimico statounitese Robert
Milliken lo trovava, in le spectro del monoxydo de boro. Analysante le
frequentia de su lineas spectral, ille discoperiva un fragile dislocamento,
le energia necessari pro le qual apparentemente veniva de "nulle parte".
Duo annos postea, Werner Heisenberg in Germania poneva iste "energia de
nulle parte" sur su fundationes moderne con su principio del incertitude.
Isto monstra que mesmo le spatio vacue ferve in activitate, e le effectos
de iste activitate appare in le locos le plus surprendente. Per exemplo, le
fluctuationes del energia del vacuo causa "ruito" aleatori in circuitos
electronic, e isto pone limites sur le nivello al qual signales pote esser
amplificate. Le fortias de Van der Waals, le debile fortias attractive que
permitte que gases real deveni liquidos, tamben veni del distortion del
vacuo per le moleculas.
Iste mesme energia del vacuo tamben explica perque solmente le
refrigeration sol nunquam congelara helium liquide. Salvo si pression es
applicate, le fluctuationes del energia del vacuo preveni que su atomos se
approxima bastante pro precipitar le solidification. Mesmo le illumination
fluorescente depende le fluctuationes aleatori e sin causa del energia del
stato del vacuo. Quando atomos de vapor de mercurio es excitate per le
discarga electric in le tubo, lor emission spontanee de photons es
precipitate per fluctuationes del vacuo, tirante los via de lor stato
instabile de energia. Quandocunque tu accende le luces de tu officina, tu
vide un effecto que le physicos ora pensa que illo poterea detener le clave
pro le big bang.
---
Ensjo.
Articulo original in anglese trovate a:
http://www.jse.com/haisch/matthews.html
|
