Ginčas apie tuštumą. Vartiklis

Nuo seno apie tuštumą vyravo dvi priešingos nuomonės. Pasak Leukipo ir Demokrito, pasaulį sudaro atomai ir tuštuma. „Pilnas“ ir „tuščias“ – dvi priešybės, iš kurių randasi visa egzistencija. Atomistai nekėlė klausimo, kodėl kūnai juda: judėjimas – tiesiog kūnų savybė, o jam reikalinga erdvė. Anot Demokrito, Epikūro, Lukrecijaus, erdvė yra vienalytė ir begalinė tuštuma. Viduramžiais tuštumos koncepciją plėtojo Kampanela, Bruno, Galilėjus, Lokas ir kt. I. Niutonas įtvirtino „absoliučios erdvės“ sampratą: erdvė pripildyta kūnų, trimatė, nepriklausoma nuo laiko, begalinė, nejudri, tolydi visuose taškuose, neveikianti materijos tuštuma. Absoliuti erdvė yra neišmatuojama ir nepažini.

Senovės egiptiečiai manė, kad tuštumos nėra, nes „gamta jos bijo“. Romėnai ją suvokė kaip jėgą, kurią vadino horror vacui - ir ši verčia vandenį tekėti iš vieno indo į kitą, sukelia vėjus bei audras. O štai Aristotelis bandė išsiaiškinti, kodėl kūnai juda. Kadangi nežinojo inercijos dėsnio, todėl laikė, kad kūnus privalo judinti jėga, glūdanti ne kūnuose, o tarpuose tarp jų. Todėl jis nepripažino tuštumos, nes šioji negali priversti kūnus judėti. Šią koncepciją vėliau plėtojo G. Leibnicas, anot kurio erdvė – tai daugybė tam tikra tvarka išsidėsčiusių kūnų. Ir kūnų tįsumas yra ne pirminė, o objektą veikiančių jėgų nulemta savybė.

18 a. mokslininkas iš Dubrovniko respublikos (dabart. Kroatija) R. Boskovičius atomizmą pakeitė „jėgų centrų“ koncepcija: visa erdvė pilna veikiančių jėgų. Tą mintį išplėtojo M. Faradėjus, atmetęs atomus ir tuštumą: jis manė, kad visa erdvė užpildyta jėgos linijomis, kurių sutankėjimai ir sudaro materialius objektus. Nuo jo prasidėjo stiprėti neigiančių tuštumą pozicijos, nes tuštumos šalininkai nesugebėjo paaiškinti, kaip sąveikauja atomai ir kūnai. Pagal Demokritą, atomai paveikia vienas kitą tik susidurdami. Bet tada, kaip kūnai išlaiko savo formą, jei jų atomai niekaip vienas kito neveikia?! Atomizmas įsigalėjo fizikoje tik pripažinus tarp atomų veikiančias traukos ir atostūmio jėgas; vėliau nuspręsta, kad jų sąveiką lemia elektrinės, magnetinės ir gravitacinės jėgos.

Tačiau tuštumos problemos apeiti nepavyko. Ir kol vyko filosofiniai ginčai dėl tuštumos, fizikams ji įgijo dar kitą prasmę – net žodį pakeitė lotynišku pavadinimu, „vakuumas“. Šį jie suvokia dvejopai: a) kaip tuštumą, dėl kurios prigimties diskutuojama; b) kaip išretėjusį orą, kurio slėgis mažesnis už atmosferos slėgį – ir ši prasmė ėmė tarnauti praktikai. E. Toričelio, B. Paskalio ir Oto fon Gerikės bandymais 17-e a. buvo išsiaiškintas oro slėgis, sukonstruotas barometras, imti gaminti siurbliai oro retinimui. Su laiku oro slėgį pavyko sumažinti milijardus kartų, tačiau net ir tokiame išretėjusiame ore likdavo daugybė molekulių. Absoliuti tuštuma tapo fizikų eksperimentatorių svajone, kuri galėjo būti pasiekti tik žmogui išėjus į kosmosą, kuriame oro beveik nėra, o tik pavieniai vandenilio, kitų medžiagų atomai ir kosminės dalelės. Dalelė ar banga?

O štai I. Niutoną tenkino tuščios erdvės samprata, nes ja buvo paaiškinta nemažai fizikinių reiškinių, Tačiau viskam koją kišo šviesa: juk ne veltui 19 a. fizikai sakė: nėra nieko tamsesnio už šviesą. Kaip žvaigždžių šviesa pasiekia Žemę? Niutonas aiškino: įkaitę kūnai skleidžia daleles, korpuskulas, patenkančias į mūsų akį ir sukeliančias regos pojūtį. Jos tuščioje erdvėje gali judėti iš inercijos ir nuskrieti milžiniškus atstumus. Tačiau šviesa pasirodė esanti dvilypė: vienuose eksperimentuose pasireikšdavo kaip dalelė, o kituose – kaip banga. Tai atrodė nesuderinama.

Banginės šviesos prigimties pradininku buvo I. Niutono bendraamžis K. Hiuigensas. Šios teorijos šalininkai, kad paaiškintų šviesos sklidimą, įvedė eterio sąvoką. Tasai, atseit, užpildo visus tarpus tarp atomų, yra elastingas, nes žvaigždžių sukeltos bangos nenuslopsta ir pasiekia Žemę. Ir tuo pačiu jis netrukdo judėti pačiai Žemei bei visiems kitiems objektams. Tai buvo sąvoka, nesuvokiama jutimais; ir fizikai negalėjo paaiškini jo fizikinės prigimties.

Tuo pat metu mintis šiaušė ir toliveikos bei artiveikos problema. Toliveikos šalininkai (A. Amperas, Š. Kulonas¹⁾, I. Niutonas ir kt.) laikė, kad kūnų sąveika perduodama momentaliai ir tam nereikia jokios terpės. Tuo tarpu artiveikos šalininkai (K. Hiuigensas, M. Faradėjus, D. Maksvelas ir kt.) tvirtino, kad sąveika (elektrinė, magnetinė, gravitacinė) perduodama per tarpinę medžiagą baigtiniu (šviesos) greičiu, o ta tarpinė terpė – elektrinis, magnetinis ir gravitacinis laukas. Taip 19 a. padėti pagrindai laukų teorijai. Ėmė aiškėti, kad taip atomų ir kūnų yra ne tuštuma, o laukai, kurie tapo ypatinga materijos forma, kuria baigtiniu greičiu perduodamos sąveikos. Bet kuri dalelė jas supančioje erdvės dalyje sukuria ypatingą būseną – jėgų lauką, kuris ir veikia kitas daleles.

Aiškinantis laukus daug nuveikė M. Faradėjus, H. Erstedas, D. Maksvelas. M. Faradėjus 1831 m. parodė, kad kintamas magnetinis laukas gali sukurti elektros srovę, o prieš tai H. Erstedas nustatė, kad apie laidininką, kuriuo teka elektros srovė, atsiranda magnetinis laukas. Šiuos du reiškinius susiejo, įrodydamas abipusį poveikį, elektromagnetinio lauko buvimą. Šis laukas turi bangų savybes. D. Maksvelui pavyko įrodyti, jog šios bangos sklinda šviesos greičiu, o ir pati šviesa tėra elektromagnetinė banga. 1865 m. jis paskelbė savo garsiąsias lygtis, kuriomis susiejo elekrinius, magnetinius ir optinius reiškinius.

Laukų teorija griovė eterio sampratą. Nustojo gyvuoti ir absoliuti Niutono erdvė. Erdvė nėra kažkokia ypatinga substancija, egzistuojanti sykiu su materija. Kaip materija negalima be savo erdvinių savybių, taip ir erdvė negali būti „tuščia“, „gryna“, atitrūkusi nuo materijos.

Lygtai ginčas dėl tuštumos baigėsi. Tačiau 20 a. pradžioje nauji fizikų atradimai sukėlė naujus ginčius dėl lauko struktūros. Buvo paskelbtos dvi teorijos, vertusios keisti mus supančio pasaulio vaizdą; taigi, ir požiūrį į erdvę ir laiką. A. Einšteino specialioji reliatyvumo teorija parodė, kad erdviniai santykiai yra reliatyvūs. O erdvės realaus dalumo problema iškilo sukūrus kvantinę mechaniką. Joje šviesa laikoma kvantiniu procesu; ji ne tik elektromagnetinės bangos, bet ir dalelių-fotonų srautas. Bet tada kokioje aplinkoje juda fotonai? Tuštumoje? O jei fotonai dalelės, tai kas yra tarp jų? Ir vėl grįžtame prie tuštumos klausimo...

Požiūrius į tuštumą padėjo vystyti elementariųjų dalelių fizika. Ir sąveikaudamos, ir pačios savaime dalelės viesta kitomis, sukuria naujas daleles. Vienu sunkumų yra tai, kad kai kurios dalelės labai nestabilios; stabilių vos keletas. Teko kurti naujas teorijas. Gan veiksmingu pasirodė kvarkų modelis, nors juo pradžioje nelabai tikėjo. Ir čia vėl prireikė tuštumos (vakuumo) sąvokos: jos savybėmis aiškinamas el. dalelių atsiradimo mechanizmas.

Bet grįžtam prie tuštumos. Kvantinėje lauko teorijoje vakuumas yra el. dalelių pagrindinė, t.y. mažiausios energijos, kvantinė būsena. Jame el. dalelių nėra, bet be paliovos vyksta jų laukų vadinamieji nuliniai virpesiai – vakuumo fliuktuacijos; todėl vakuumas poliarizuojasi. Sąveikos metu gali atsirasti be galo didelės energijos virtualių dalelių, kurios yra labai savitos; jų energija ir impulsas nesusieti apibrėžtais atitinkamų tvermės dėsnių sąryšiais. Jų negalima stebėti jokiais fizikiniais būdais. Tačiau tam tikrame vakuumo taške sukaupus pakankamai energijos, virtualios dalelės gali virsti realiomis. Taigi, el. dalelės yra vakuumo sužadintos būsenos. O realiosios dalelės gali išspinduliuoti ir sugerti virtualiąsias daleles negaudamos ir neatiduodamos energijos; realiąją dalelę supa virtualiųjų dalelių debesėlis, kuris ir sudaro realiosios dalelės erdvinę struktūrą – jos lauką.

Bet koks krūvininkas iš dalies poliarizuoja vakuumą. Pvz., elektronas yra apsupta elektronų-pozitronų apvalkalu, kurį išorinis stebėtojas interpretuoja kaip elektrono efektyvaus krūvio sumažėjimą. Be to, elektronas nuolat spinduliuoja ir sugeria fotonus, - dėl to kinta jo energija bei masė.

Ne viskas dar aišku, o ir teorijos vystosi. Vis tik matome, kad vakuumas yra materiali būsena, viena lauko būsenų. Jis nėra nei koks nors geometrinis objektas, nei tuščia erdvė – tai sudėtinga sistema, kurios savybės tokios neįprastos, kad vakuumą galima laikyti „reliatyvia nebūtimi“ – ta prasme, kad jame „nėra“ apčiuopiamų materijos formų. Vakuumas yra „potenciali būtis“, savyje slepianti visus įmanomus pasaulius, būsenas, daleles. Taigi, jis yra tarsi pirmapradė substancija, iš kurio radosi visa Visata. Kvantinės putos

Pagal kvantinę gravitacijos teoriją, tuščia erdvė saugo milžinišką energiją. Teoretikai pasiūlė įvairias galimybes prieiti prie jos – tačiau naujausia prielaida visai į kitą pusę: jis visiškai neturi vertės dideliais masteliais, nes jos poveikis baigiasi ties labai mažais atstumais.

1955-ais Dž. Vileris teigė, kad labai mažais atstumais galimybę nustatyti atstumą, laiką ir energiją veikia Heizenbergo neapibrėžtumo principas. Vientisi erdvė ir laikas virsta atsitiktinai fliuktuojančia būsena, kurią Vileris pavadino „erdvėlaikio putomis“, kurios randasi vadinamuoju Planko masteliu, t.y. ten, kur atstumai yra 10^-35 m. laikas – 10^-44 sek., o energija – 10¹⁹ GeV. Šie masteliai yra būdingi pradinėms akimirkoms po Didžiojo sprogimo.

Šiandien tas „putas“ matematiškai tirti galime tiksliau. Tuštumos energija gali veikti kaip kosmologinė konstanta, pastovus dydis, kuris gali būti įtrauktas į bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis. Kosmologinė konstanta turi tokį pat poveikį kaip „tamsioji energija“, kuri laikoma Visatos greitėjančio plėtimosi priežastimi [2]. Vis tik atrodo, kad tamsioji energija yra 10¹²⁰ kartų mažesnė nei spėjama Planko mastelio vakuumo energija.

Ir tada Steven'as Carlip‘as²⁾ iš Kalifornijos un-to pateikė kitokį požiūrį. Jis nurodė, kad bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis su kosmologine konstanta turi sprendinių, kuriuose laikunt bėgant Visata eksponentiškai arba plečiasi, arba traukiasi. Tada jis į putojantį erdvėlaikį pažvelgė kaip visur turintį milžinišką vakuumo energiją, tačiau atskiros Planko konstantos dydžių sritys panašiai plečiasi ar traukiasi. Ir panaudojęs matematinę procedūrą, kuri „suklijuoja“ Planko mastelio sritis taip, kad būtų suderinama su bendrąja reliatyvumo teorija, gavo įdomią išvadą: nors vakuumo energija milžiniška, tų sričių plėtimasis ar susitraukimas sukuria efektą, kai rezultatas didelio mastelio požiūru nei plečiasi, nei traukiasi. Toks erdvėlaikis gali būti apibrėžtas kaip turintis nulinę kosmologinę konstantą. Vienintele prielaida klijavimo procedūrai yra tai, kad erdvėlaikis neturi vidinės laiko krypties.

Toliau Karlipas aiškina, kaip toks erdvėlaikis gali vystytis. Tai sunkus klausimas – dėl dviejų priežasčių. Ties dviejų sričių riba erdvėlaikio iškreivinimas smarkiai keičiasi net mažais atstumais, tad kitimą sunku paskaičiuoti. O be to, kadangi sritys yra Planko mastelių, negalima ignoruoti kvantinės gravitacijos efektų, kuriems dar nėra išbaigtos teorijos.

Vis tik Karlipas pateikė kai kuriuos argumentus, kad trimatis griežinėlis tame erdvėlaikyje elgsis taip, tarsi vakuumo energijos nėra. Aišku, šią koncepciją dar reikia detaliau išvystyti, be to jis neduoda atsakymo apie tamsiosios energijos prigimtį.

Vienu kvantinės erdvėlaikio aspektu yra jo „putotumas“ labai mažais masteliais (nors net nuolat tobulėjant instrumentams, jis vis dar atrodo glotniu). Bet, pvz., modeliai, susiję su „holografiniu principu“, numato, kad erdvėlaikio putos gali būti aptiktos per tolimų objektų sumažėjusį intensyvumą ar vaizdo išskydimą. Kadangi tie modeliai nėra betarpiški „holografinio principo“ patikrinimai, jie gali būti svarbūs apjungiant juodųjų skylių fiziką su kvantine gravitacija. Kvantinės gravitacijos modeliuose erdvėlaikio „putotumas“ yra Energijos neapibrėžtumo principo pasekmė susijusi su Planko mase ir Planko laiku. Tad erdvėlaikio putų aptikimas yra svarbus kvantinės gravitacijos modeliams – jas aptikus, tai reikštų, kad pats erdvėlaikis yra tikimybinis, o ne deterministinis. O tada tolimų šaltinių skleidžiamų fotonų fazės įgautų atsitiktinę komponentę, didėjančią su atstumu. BICEP2 aptikta mikrobanginio spinduliavimo poliarizacija (jei patvirtinta) irgi suteikia įrodymus apie kvantinės gravitacijos efektus iš Visatos infliacinio laikotarpio (kai susidarė mikrobanginis spinduliavimas) – o tai leistų ir patikslinti ir kvantinės gravitacijos vaidmenį Visatos infliacijos metu.
Tuos modelius galima patikrinti ir stebint tolimus kvazarus bei aktyvius galaktikų branduolius – panaudojant rentgeno spinduliavimo matavimus iš „Chandra“ ir „Fermi“ orbitinių observatorijų.
Taip pat žr. Kvantinės putos

¹⁾ Šarlis Ogiustenas Kulonas (Charles-Augustin de Coulomb, 1736-1806) – prancūzų karo inžinierius, fizikas, žinomas savo darbais apie elektrą ir magnetizmą bei trinties jėgas. Jis pirmasis 1785 m. išmatavo įelektrintų kūnų sąveikos jėgą (Kulono dėsnis), panaudodamas savo išrastas sukamąsias svarstykles. Taip pat nagrinėjo ilgų magnetinių polių sąveiką. Mokslais užsiėmė grįžęs iš karo tarnybos Martinikoje. Skelbė darbus iš techninės mechanikos (statinių statika, vėjo malūnų teorija, siūlų suvijimo mechaniniai aspektai, …). 1773 m. paskelbė straipsnį apie trintį, 1781 m. aprašė eksperimentus su slydimu, 1789 m. išleido veikalą apie slydimo teoriją.
Jo garbei pavadintas krateris Mėnulyje.

²⁾ Stivenas Karlipas (Steven Jonathan Carlip, g. 1953 m.) – amerikiečių fizikas, žinomas darbais (2+1)-mate kvantinės gravitacijos, juodųjų skylių termodinamikos kvantinės gravitacijos pagrindimo ir priežastingumo principo srityse.