Hendrik Casimir - fizyk, który uwierzył Arystotelesowi

 

“Próżnia nie istnieje ani poza ciałami, ani w ciałach, ani absolutnie, ani potencjalnie”

można przeczytać w “Fizyce” Arystotelesa [1].

Ale kto by tam czytał Arystotelesa i w dodatku “Fizykę”? Komu potrzebne są te starocie?

Oto powszechna opinia panująca, zwłaszcza w internecie: prawdziwe jest tylko to, co dzisiejsze, no co najwyżej -wczorajsze. Fizyka Arystotelesa ? To brednie, a jaka mogłaby być wiedza o przyrodzie starożytnych? Nasza, czyli współczesna, a to co innego.

I właśnie obecny post zamierzam poświęcić w całości triumfowi wielkiego przyrodnika(tak, tak !) i myśliciela starożytności, z którym związano łacińskie określenie : “horror vacui”, określenie absolutnie prawdziwe, bo odkryte przez współczesną nam mechanikę kwantową i potwierdzone w licznych eksperymentach i mające intrygujące możliwości zastosowań technicznych, zastosowań które mogą zrewolucjonizować postać naszej cywilizacji.

Kto zna historię fizyki, ten rozumie dlaczego Arystotelesa w czasach nowożytnych okrzykniętą w tej kwestii idiotą. Pamiętamy wszak Torricelego, Guericke, Pascala i ich fantastyczne eksperymenty obalające tezę Arystotelesa o niemożliwości istnienia w przyrodzie próżni.

Tak ,ale eksperymenty te pozwalają uzyskiwać próżnię techniczną ,która nie jest: nicością ,niebytem, pustką absolutną, jaką myślał w swej głęboko filozoficznej “Fizyce” Arystoteles.

Popełniamy straszliwy błąd podkładając pod słowa starożytnych, sensy nasze, pochodzące z naszego doświadczenia egzystencjalnego, zamiast próbować odgadnąć sensy i znaczenia nadawane słowom w tamtych czasach, oraz odgadnąć ówczesny symbolizm wyrażania myśli o przyrodzie.

W naszej “próżni” technicznej nie ma nicości, niebytu, panuje tam niezwykle niskie ciśnienie rzędu 10E(-6) Pa i możliwe ,że skonstruujemy pompy pozwalające na jeszcze większy stopień opróżnienia przestrzeni z substancji w postaci atomowej lub wręcz cząstek elementarnych, ale to nadal nie będzie próżnia, gdyż będzie tam pewien element czasoprzestrzeni !

Na to czytelnik wychowany na fizyce XIX wieku wrzaśnie :

-jeśli tam nic nie ma substancjalnego tylko przestrzeń i czas to mamy właśnie nic, pustkę czyli stary Arystoteles plótł głupoty! Uzyskaliśmy próżnię pojętą, jako pustkę od czegokolwiek.

Inny czytelnik, wychowany na fizyce XX wieku, który nie może się obyć bez komórki, przytomnie dorzuci (broniąc Arystotelesa),że owszem uzyskano pustkę ale pominięto, fale elektromagnetyczne i rzeczywiste fotony. Czyli, jest to taka niby-pustka.

Po prostu pomijamy rzeczywiste pole elektromagnetyczne, rzeczywiste fotony wymieniane pomiędzy oddziałującymi ze sobą elektronami i po ...Arystotelesie. Jest pustka idealna !Przecież próżnia, czyli sama geometria przestrzeni nie jest ciałem fizycznym.

I w tym miejscu przywołam mechanikę kwantową, z jej tajemniczą, ale królującą w przyrodzie- zasadą Heisenberga[2].

Jedna ze słynnych relacji Heisenberga wygląda tak:

dE * dt jest mniejsze/równe h/2Pi

Następnie, postawię niedorzeczną hipotezę, że pusta przestrzeń, czysta geometria kreuje fizyczny obiekt, ”cząstkę”, z niczego. Czy będziemy ją mogli zaobserwować ?Jak długo ta cząstka będzie żyła?

Odpowiedź na podstawie podanej relacji Heisenberga jest prosta:

Pojawiająca się z geometrii przestrzeni cząstka będzie żyła tym dłużej (i może być zarejestrowana) im mniejszą będzie posiadała energię.

Po pojawieniu się, zaraz potem zniknie.

Wobec tego – (na razie, nie odwołując się do ogólnej teorii względności która również uważa czasoprzestrzeń za ciało fizyczne, lecz w innym sensie) ,na podstawie samej zasady Heisenberga, przestrzeń w wymiarach mikro jest kipielą ,wrzątkiem znikających i pojawiających się cząstek, które nazwiemy cząstkami wirtualnymi.

Hipotezę próżni, jako ciała fizyczne uszczegółowił Paul Dirac w roku 1928, który z równania ruchu dla relatywistycznego elektronu wywnioskował , że musi istnieć cząstka podobna do elektronu, ale o znaku przeciwnym[3],również jako składnik tej niewidzialnej kwantowej kipieli przestrzeni.

W 1931 roku Carl Anderson, podczas badań nad promieniowaniem kosmicznym zauważył w komorze mgłowej Wilsona, ślady nieznanych dotychczas cząstek elementarnych. Anderson prawidłowo zinterpretował je, jako ślady cząsteczek o takiej samej masie jak elektron, ale o odwrotnym ładunku elektrycznym(dodatnim) i nazwał ją pozytronem (lub- pozytonem).

Nic już nie stało na przeszkodzie, by P.Dirac mógł wystąpić z wizyjną ideą nieskończonego i niewidzialnego “oceanu”, w którym zachodzą burzliwe mikroprocesy kreacji i anihilacji par wirtualnych cząstek: elektronu i pozytronu. Wprawdzie idea ta musiała być zastąpiona bardziej finezyjnym modelem w ramach QED, ale jej znaczenie dla zrozumienia natury próżni fizycznej było doniosłe.

Niektórzy zrozumieli to, jako odrodzenie idei eteru (“kwantowy eter”),dzięki któremu Arystoteles redivivus do współczesnej fizyki, ze swym ontologicznym zakazem próżni w przyrodzie.

I nie mylili się.

Geometria próżni ukazała się nam, jako ciało fizyczne, wykazujące swoistą polaryzację bytów, dualność bytów(zespolona para “elektron-antyelektron).

Żyjemy i poruszamy się w czymś dynamicznym, niewidzialnym, przenikającym wszystko, co jest nazwane wszechświatem. Na razie ,są to lata trzydzieste ubiegłego wieku- w ramach wizji teoretycznej.

Taki stan próżni utożsamiany jest z wrzeniem przestrzeni, podobnym do wrzenia wody w naczyniu, gdzie widzimy pojawiające się bańki ,pęcherzyki pary wodnej, podążające do góry i na powierzchni pękające. Takie wrzenie próżni nazwane jest fluktuacją pola próżni. Ponieważ w każdej chwili stale istnieje w dowolnie wybranym obszarze przestrzeni pewna stała ilość wirtualnych cząsteczek, to oznacza, że próżnia ma pewną niezerową gęstość energii.

Zerowy Punkt Pola (ZPF), to określenie przyjęto dla energii powstającej w każdym punkcie fizycznej geometrii przestrzeni ,która to energia istnieje nawet w temperaturze zera bezwzględnego. Zgodnie z elektrodynamiką kwantową geometria przestrzeni posiada pewną minimalną energię, której nie można zabrać.

Od czasu wystąpienia L.de Brogliea i sformułowaniu przez E.Schroedingera mechaniki falowej z jej tajemniczą funkcją “psi” wiemy, że z każdym obiektem jest związana fala de Brogliea. Cząstki wirtualne fizycznej próżni mają także naturę pakietów fal “psi” o różnych długościach fal, gdyż energie ich są różne.

Dodając teraz te wszystkie “mody pola” (fale “psi”, związane z każdą cząstką wirtualną tej wspomnianej pary, i nie tylko tej)) , o “niezerowym” stanie energii uzyskuje się Elektromagnetyczny Zerowy Punkt Pola (ZPF) lub w skrócie Elektromagnetyczną Próżnię [4].

Wszechświat jest przepełniony swoistymi, krótkimi “błyskami” ZPF !

To tak właśnie daje o sobie znać “próżnia” ,że nie jest próżnią, tylko podłożem, substratem wszechświata(co najmniej tej części wszechświata, którą badamy),zgodnie z tym jak myślał wielki Stagiryta.

Jednak fizyka, to nie metafizyka, tak ulubiona przez niektórych salonowców –blogerów, co to wymyślają byty rzekomo fizyczne, istniejące, w rodzaju grawitora, w nadziei, że stworzą “nową fizykę”,której nie będzie trzeba weryfikować doświadczalnie.

Teoria Diraca ,ponieważ była ściśle matematyczna i zawierała rozwiązywalne równania , mogła być doświadczalnie zweryfikowana ( i tylko taka teoria zasługuje na miano teorii fizycznej).

Już w 1925 roku słynny Robert Millikan odkrył drobne różnice pomiędzy empirycznymi wartościami długości fal linii spektralnych tlenku boru od wyliczonych teoretycznie, które jak się później okazało wynikały z oddziaływania energii próżni kwantowej na elektrony przejść z jednego stanu do drugiego w tych atomach.
Następnym eksperymentem było bezpośrednie zaobserwowanie przez W.Lamba i R.Retheforda w 1947 roku wpływu energii fizycznej próżni na linie spektralne wodoru (“przesunięcie Lamba”)[5].

Jednak dopiero Hendryk B.H.Casimir, holenderski fizyk, 50 lat temu, przewidział możliwość obserwacji próżni fizycznej i zaprojektował układ fizyczny do bezpośredniej obserwacji i pomiaru efektu polegającego na wpływie energii próżni na makroskopowy obiekt i przedstawił ścisłą teorię jego z podaniem formuł empirycznych na obliczanie siły i energii nazwanego później“efektem Casimira”.

H.Casimir to niezwykła postać w historii fizyki kwantowej wieku XX go.

 

 

Własnie mija sto lat od jego urodzin (zm.w 2000 r.). Był wybitnym ucznem Paula Ehrenfest,jego nauczycielem był także Niels Bohr.Obronił pracę doktorską w 1931 z teoretycznych podstaw mechaniki kwantowej.W latach 1932-33 współpracował z Wofgangiem Paulim,w okresie 1933-1942 był profesorem fizyki w Leiden.OD 1942 do emerytury(1972) pracował u Philipsa w Eindhoven kierując jego laboratorium badawczym.

W 1968 roku współstworzył Europejskie Stowarzyszenie Fizyków (EPS), a następnie był jego przewodniczący.Napisał niewiele prac, był typem fizyka technicznego,wybitnym organizatorem stanowisk badawczych w zakresie technologii elektronicznej opartej o fizykę kwantową.

Układ pomiarowy Casimira [6],do badania zjawiska nazwanego później jego imieniem, to dwie idealnie wypolerowane płytki wykonane z przewodnika, pozbawione ładunku elektrycznego i ustawione równolegle względem siebie w odległości jedna milionowa metra w próżni przy temperaturze zera absolutnego.

Płytki pełnią rolę luster rezonatora dla fal “psi” cząstek wirtualnych próżni fizycznej.

Poza płytkami, pojawiają się fale “psi” o różnej długości, gdyż energie cząstek wirtualnych są różne. Pomiędzy płytkami, powstają fale stojące o długościach wyznaczonych przez odległość między płytkami.

Na skutek tego, ciśnienie próżni kwantowej (czyli owej kwantowej kipieli przestrzeni wyłaniających się na mocy zasady Heisenberga i znikających cząstek wirtualnych) jest pomiędzy płytkami mniejsze niż ciśnienie na zewnątrz. Różnica ciśnień daje “siłę Casimira” rzędu jednej dziesięciomilionowej niutona.

Dopiero w 1958 roku S.Lamoreaux na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle wykonał pomiary tego kwantowego efektu [7] z niepewnością rzędu 5%, a w 2002 roku U. Mohideen z zespołem, na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside potwierdził to [8] z dokładnością 1 %.

Fizyka techniczna, oparta o badania energii próżni fizycznej podlega aktualnie burzliwemu rozwojowi. Sprzyja temu rozwój nanotechnologii.

W laboratorium Bella Lucent Technologies, gdzie rozwijana jest technologia systemów mikroelektromechanicznych(MEMS),skonstruowano urzadzenie wykonujące pracę przez siłę Casimira.

Eksperyment dowiódł, że energia próżni fizycznej może zostać wykorzystana w urządzeniach technicznych do poprawy ich parametrów pracy[9].

W 1990 roku na Uniwersytecie A.v.Humboldta w Berlinie, prof. fizyki K.Scharnhost odkrył teoretycznie, że prędkość światła przebiegającego pomiędzy płytkami układu Casimira powinna wzrosnąć[10]. Spowodowane ma to być tym, że fluktuacje próżni w takiej przestrzeni są słabsze i promień świetlny ,który jest falą elektromagnetyczną natrafia na mniejszy opór próżni kwantowej. Projektuje się wytwarzanie swoistych domen czasoprzestrzeni z fluktuacjami próżni kwantowej (efektem Casimira), w których prawdopodobne jest wystąpienie zmian stałej grawitacyjnej G, a tym samym pojawienie się możliwości sterowania siłą grawitacji.

Pojawiają się hipotezy ,że grawitacja jest skutkiem zaburzeń w gęstości i ciśnieniu kwantowej próżni fizycznej , która przecież zawsze istnieje między ciałami. Oddziałując na energię próżni – a to jest już technicznie możliwe dzięki odkryciu Casimira – będziemy mogli zmieniać siłę grawitacji.

W takim schemacie teoretycznym próbuje się wyjaśnić zaskakujące zjawisko zmniejszenia się natężenia pola grawitacyjnego Ziemi podczas zaćmienia Słońca ,zmierzone przez zespół chińskich astrofizyków w roku 1997.

Podczas zaćmienia Słońca przez Księżyc następuje w przestrzeni pomiędzy Ziemią a Księżycem spadek fluktuacji energii próżni , ze względu na brak energii fal elektromagnetycznych przychodzących ze Słońca. Zgodnie z tym , spada wartość stałej G, i tym samym zmniejsza się składowa pionowa natężenia pola grawitacyjnego.

Możliwe, że ta technika manipulacji polem energii próżni fizycznej doprowadzi do skonstruowania samonapędzających się silników[11]. Odkryto teoretycznie ,że w takich domenach czasoprzestrzennych ze zmniejszającymi się fluktuacjami próżni fizycznej, czas ulega przyspieszeniu, czyli będą to swoiste “ekspandery” czasu. Takie paradoksalne zjawisko upływu czasu zaobserwowano już , w układzie eksperymentalnym Casimira.

Są także próby rozwikłania struktury atomów poza QED i QCD, a z wykorzystaniem pojęcia pola zerowej energii próżni fizycznej, ale ta kwestia wymaga odrębnego tekstu..

Szkoda ,że o niezwykłym zjawisku Casimira i o “Zero-Point Energy Quantum Vacuum” prawie nic nie mówi się w nauczaniu fizyki na poziomie średnim, a bardzo mało na poziomie akademickim.

Paradoksem życia i twórczości Hendrika Casimira, którego stulecie urodzin przypada w tym roku, jest to ,iż jest on autorem właściwie jednego zjawiska (i autorem bardzo błyskotliwej ,matematycznej teorii tego zjawiska),które jednak odsłania przed nami zaczarowany świat bogatych możliwości przemiany technologii, a tym samym cywilizacji.

Stary Arystoteles zapewne, podczas spotkań z Casimirem na niebieskich łąkach, przeżywa satysfakcję i szczęście, dokładnie takie, jakie ma mistrz w obliczu dokonań swego ucznia.

Pokolenia myślicieli nad tajemnicami Bytu, przekazują sobie idee nie w kontinuum walki, zmagania, lecz w ciągłym kontinuum wspomagania, współtwórczości niewidzialnego bractwa...

 

Literatura

[1]Arystoteles, Dzieła wszystkie, Tom 2,Fizyka,s.104,Warszawa,1990

[2] R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Warszawa,2008,s.500

[3] loc.cit.s.95-600

[4] J. D. Barrow, "Much ado about nothing", (2005) Lecture at Gresham College. (Includes discussion of French naval analogy.)

5] W.E. Lamb, R.C. Retherford, Phys. Rev., volume 72, s. 241, 1947.

 

 

http://www.journaloftheoretics.com/Links/Papers/Setterfield.pdf

[