Mitä on tyhjyys? Mielemme maalaa kuvan absoluuttisesta tyhjyydestä – tilasta, josta puuttuu aine, energia, kaikki.
Mutta modernille fysiikalle tyhjiö on mitä tahansa muuta kuin tyhjyys. Se on kuohuva kvanttifluktuatioiden kattila, jossa virtuaalisten hiukkasten parit syntyvät hetkeksi ja katoavat heti. Ajatus siitä, että tästä kattilasta voitaisiin kaivaa ja muuttaa virtuaalinen todelliseksi, on kiihottanut tutkijoiden mieliä vuosikymmenten ajan.
Nyt kanadalaiset fyysikot näyttävät löytäneen hienon tavan tarkkailla tätä prosessia luomalla miniversumin jäähdytetyn heliumin pisaraan.
1900-luvun puolivälissä teoreettinen fyysikko ja Nobel-palkittu Julian Schwinger esitti uskomattoman olettamuksen. Hän laski, että jos tyhjiöön kohdistetaan riittävän voimakas sähkökenttä, se voidaan kirjaimellisesti ”kiehauttaa”.
Kentän energia rikkoo virtuaaliset hiukkasparit (elektroni ja sen antipartikkeli, positroni) ennen kuin ne ehtivät tuhoutua, ja työntää ne todelliseen maailmaan. Materia tyhjästä. Kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, eikö totta?
Tässä oli suurin ongelma. ”Riittävän voimakas kenttä” on lievästi sanottu. Kyse on niin voimakkaasta jännitteestä, että sen rinnalla salamanisku vaikuttaisi harmittomalta kipinältä villapaidasta. Tällaisten olosuhteiden luominen laboratoriossa maapallolla on tehtävä, joka ylittää teknologiset mahdollisuutemme. Schwingerin teoria pysyi kauniina, mutta puhtaasti teoreettisena rakenteena, eräänlaisena haamuna kvanttifysiikan rakennuksessa – kaikki tiesivät sen olemassaolosta, mutta kukaan ei voinut nähdä sitä.
Ja tässä vaiheessa British Columbian yliopiston (UBC) fyysikot astuvat näyttämölle ratkaisulla, jota voi kutsua nerokkaaksi sen yksinkertaisuudessa. Jos emme voi luoda avaruuden olosuhteita, miksi emme löytäisi järjestelmää, joka käyttäytyy samalla tavalla, mutta paljon suotuisammissa olosuhteissa?
Tällainen järjestelmä osoittautui ohueksi superfluidaaliseksi helium-4-kalvoksi. Jäähdytettäessä erittäin alhaisiin lämpötiloihin tämä hämmästyttävä materiaali menettää viskositeettinsa ja muuttuu eräänlaiseksi ihanteelliseksi nesteeksi, joka virtaa ilman kitkaa. Tutkimuksessaan tutkijat esittivät elegantin analogian:
- Kvanttivakuum korvataan suprajohtavan heliumin kalvolla. Jäähdytetyssä tilassa se on itsessään lähes täydellinen ”tyhjyys”.
- Valtava sähkökenttä korvataan tämän nesteen suunnatulla virtauksella.
- Elektroni-positroniparien syntyminen muuttuu spontaaniksi pyörre/antipyörre-parien ilmestymiseksi – pieniksi pyörteiksi, jotka pyörivät vastakkaisiin suuntiin.
Pohjimmiltaan tohtori Philip Stempin johtama tiimi ehdotti, että sen sijaan, että rakennettaisiin ”tähtilaiva” päämäärän saavuttamiseksi, luotaisiin sen tarkka malli pöytäakvaariossa. Ja tämä malli osoittautui yllättävän rikkaaksi löytöjen suhteen.
Miksi kaikki tämä? Kaksi vastausta yhden sijaanEnsi silmäyksellä tämä on vain kaunis analogia. Sen avulla voimme mallintaa prosesseja, joiden uskotaan tapahtuvan äärimmäisissä olosuhteissa – lähellä mustia aukkoja tai jopa hetkeä Big Bangin jälkeen. Tämä on sinänsä uskomattoman arvokasta, sillä saamme ”ikkunan” niihin universumin osiin, joihin emme koskaan voi suoraan kurkistaa.Kuitenkin itse kirjoittajat korostavat, että heidän työnsä todellinen arvo voi olla vieläkin syvällisempi. Heidän mallinsa ei ole pelkkä imitaatio. Se on todellinen fysikaalinen järjestelmä, jolla on omat lakinsa. Tutkimalla sitä opimme uutta paitsi avaruudesta, myös aineen perusominaisuuksista täällä maapallolla – superfluidismin luonteesta ja siitä, miten faasisiirtymät tapahtuvat kaksiulotteisissa järjestelmissä.
Analogian kosto: kun malli ylittää alkuperäisen
Jotta heidän matemaattinen mallinsa toimisi, tutkijoiden piti tarkistaa yksi perusoletuksista pyörteistä superfluideissa. Aiemmin ajateltiin, että tällaisen pyörteen massa on vakio. Stempin ja hänen kollegansa Michael Derosherin laskelmat osoittivat kuitenkin, että näin ei ole: pyörteen massa muuttuu radikaalisti sen liikkeen mukaan.
Tämä löytö oli sinänsä läpimurto kondensoituneen tilan fysiikassa. Mutta sitten tutkijat ottivat seuraavan askeleen. Entä jos tämä ominaisuus ei ole heliummallin erityispiirre, vaan universaali laki? Entä jos Schwingerin teorian mukaan tyhjiössä syntyvien hiukkasten massa ei myöskään ole vakio?
Tuloksena oli hämmästyttävä käänne, jonka tekijät itse nimittivät ”analogian kostoksi”. Malli, joka luotiin vanhan teorian testaamiseksi, ei vain vahvistanut sen periaatteita, vaan myös tarkensi, täydensi ja pohjimmiltaan paransi sitä.
Kävi ilmi, että pöytäkokeilu heliumilla voi kertoa meille enemmän hiukkasten käyttäytymisestä tyhjiössä kuin olimme olettaneet.Tämä työ on loistava esimerkki modernin tieteen toiminnasta. Suuri idea, jota vuosikymmeniä pidettiin todistamattomana, saa vahvistuksen täysin odottamattomalta alalta. Elegantti laboratoriossa tehty ratkaisu ei vain avaa tietä avaruuden tutkimukselle, vaan pakottaa meidät myös tarkastelemaan uudella tavalla teoriaa, josta kaikki alkoi. Näyttää siltä, että ymmärtääksemme, miten tyhjästä syntyy jotain, riittää joskus vain katsomaan maailmaa eri näkökulmasta.
