Spacetime Metric — Season 1 — 07-qft-and-the-vacuum

Transcript (pl) — translated from the English narration; the video is narrated in English.

Uniwersytet Columbia, kwiecień 1947.

Młody fizyk Willis Lamb od prawie dwóch lat kieruje mikrofale na wiązkę atomów wodoru.

Mierzy, bardzo starannie, różnicę energii między dwoma konkretnymi stanami kwantowymi atomu wodoru — dwoma stanami, które według najlepszej ówczesnej teorii, relatywistycznego równania falowego Diraca, powinny mieć dokładnie tę samą energię.

Te dwa stany nazywają się 2S{1/2} i 2P{1/2}.

Według Diraca powinny leżeć dokładnie na tej samej energii.

Według pomiaru Lamba — nie leżą.

Stan 2S leży odrobinę wyżej niż stan 2P — o mniej więcej jedną milionową energii stanu podstawowego wodoru.

Maleńka przerwa.

Prawdziwa przerwa.

Przerwa, której nie przewidziała żadna wersja teorii zapisana przed 1947 rokiem.

Tę przerwę nazywa się przesunięciem Lamba.

A wyjaśnienie — to, które wypracowano przez kolejne dwa lata w pracach Hansa Bethego, Juliana Schwingera, Sin-Itiro Tomonagi i Richarda Feynmana, wyjaśnienie, które przyniosło całej czwórce Nagrodę Nobla w 1965 roku — jest takie, że atom wodoru nie siedzi w pustej przestrzeni.

Siedzi w próżni, która ma strukturę.

To jest wykład siódmy.

Przez sześć wykładów budowaliśmy geometryczną stronę tej historii.

Wykład 1 nazwał metrykę — lokalną regułę odległości.

Wykład 2 złożył przestrzeń i czas w jeden czterowymiarowy obiekt i nazwał transformacje Lorentza, które zachowują jego metrykę.

Wykład 3 zapisał równania pola Einsteina i powiedział w jednym zdaniu: geometria po lewej, masa i energia po prawej.

Wykłady 4 i 5 poznały dwie konkretne egzotyczne metryki — bańkę warp Alcubierrego i tunel czasoprzestrzenny Morrisa-Thorne'a — i pokazały, że obie wymagają czegoś, czego fizyka nigdy nie widziała w skali makroskopowej: ujemnej gęstości energii.

Wykład 6 nazwał warunki energetyczne, których klasyczna ogólna teoria względności oczekuje od materii, i pokazał, że można je łamać tylko w wąski, kwantowy, ograniczony sposób — to nierówności kwantowe Forda-Romana.

To jest strona geometrii.

Ten wykład zaczyna drugą stronę.

Stronę materii.

Stronę próżni.

Bo oto problem, który Blok B zostawia na stole.

Jeśli potrzebujesz ujemnej gęstości energii, żeby zbudować napęd warp albo utrzymać otwarty tunel czasoprzestrzenny — a klasyczna materia jej nie dostarcza — to gdzie jej szukać?

Odpowiedź od sześćdziesięciu lat brzmi: szukasz jej w próżni kwantowej.

Próżnia to jedyne miejsce w przyrodzie, gdzie ujemne gęstości energii zostały teoretycznie przewidziane, obliczone i — jak zobaczymy w wykładzie 8 — zmierzone eksperymentalnie.

Ale zanim porozmawiamy o manipulowaniu próżnią, musimy wiedzieć, czym próżnia jest.

To zadanie tego wykładu.

Trzydzieści minut kwantowej teorii pola.

Żadnych równań, których nie da się przeczytać na głos.

Jedna główna myśl, wyłożona na trzy sposoby.

A na koniec będziesz umieć powiedzieć prostymi słowami, co fizycy mają na myśli, mówiąc, że próżnia nie jest pusta.

Zacznij tutaj.

Weź dziecięcą huśtawkę.

Wahadło.

Ciężarek na sprężynie.

Dowolny układ, który — gdy pchniesz go w bok ze spoczynku — napiera z powrotem.

To właśnie fizycy nazywają oscylatorem harmonicznym.

W mechanice klasycznej to najprostsza nietrywialna rzecz, która się porusza.

I ma jeden parametr, który liczy się przez najbliższe trzydzieści minut: częstość.

Jak szybko chce się huśtać.

Nazwij tę częstość omega — grecka litera omega — i nazwij omegę częstością własną oscylatora.

Dziecięca huśtawka, pchnięta raz i zostawiona sama sobie, będzie się kołysać tam i z powrotem ze swoją częstością własną.

Ciężarek na sprężynie, szarpnięty raz, będzie podskakiwał w górę i w dół ze swoją częstością własną.

Częstość wyznaczają geometria i sztywność układu.

To jeszcze nie jest rzecz kwantowomechaniczna.

A teraz wręcz ten oscylator kwantowemu mechanikowi.

Konkretnie: wręcz go Wernerowi Heisenbergowi w 1925 roku albo Erwinowi Schrödingerowi w 1926.

Powiedzą ci coś, co w 1925 roku było dziwne, a dziś jest w podręcznikach.

Powiedzą ci, że oscylator nie ma ciągłego zakresu energii, na których może siedzieć.

Jego energia przychodzi w osobnych poziomach — jak szczeble drabiny, a nie jak gładka zjeżdżalnia.

Każdy poziom nad dnem dzieli od następnego dokładnie jedna porcja energii, a rozmiar jednej porcji to hbaromega.

H-bar — zapisywane jako hbar — to zredukowana stała Plancka, podstawowa stała przyrody, której wartość wynosi z grubsza 10^{-34} w standardowych jednostkach fizycznych.

Sama liczba nie ma znaczenia dla tego wykładu.

Ważne jest to, że hbar jest ustalone przez wszechświat; jedyne, co zmienia się od oscylatora do oscylatora, to omega, częstość własna.

Drabina energii kwantowego oscylatora o częstości omega ma szczeble odległe o hbaromega.

Tyle prawdopodobnie już wiesz.

A oto, o czym ludzie czasem zapominają.

Dno drabiny nie jest w zerze.

Najniższa energia, jaką może mieć kwantowy oscylator harmoniczny, nie wynosi zero.

To frac{1}{2}hbaromega — połowa jednego szczebla.

Ten stan, najniższy dostępny, nazywa się stanem podstawowym.

A energię stanu podstawowego nazywa się energią punktu zerowego oscylatora.

Nazwa „punkt zerowy" to tłumaczenie niemieckiego Nullpunktsenergie, ukutego w 1913 roku przez fizyków Maxa Plancka, Alberta Einsteina i Otto Sterna.

To określenie jest w literaturze fizycznej od ponad stu lat.

Dlaczego stan podstawowy nie leży w zerze?

Czysta odpowiedź to zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Gdyby oscylator spoczywał na dnie swojego potencjału — dokładnie w spoczynku, z dokładnie zerową energią kinetyczną, dokładnie w punkcie równowagi — to jednocześnie znalibyśmy precyzyjnie i jego położenie, i jego pęd.

A zasada nieoznaczoności mówi, że tak się nie da.

Położenie i pęd nie mogą być oba ostre.

Więc oscylator, nawet w najniższym dostępnym stanie, nie może całkiem stanąć.

Musi zachować odrobinę drżenia.

To drżenie ma nazwę — ruch punktu zerowego — i ma określoną energię, która w rachunku kwantowomechanicznym wychodzi dokładnie frac{1}{2}hbaromega.

Pół szczebla.

To nie jest metafora.

To nie jest poetycki gest.

Tak mówi matematyka.

Każdy oscylator harmoniczny we wszechświecie ma stan podstawowy, ten stan ma energię frac{1}{2}hbaromega, i ta energia tam jest, niezależnie od tego, czy cokolwiek ten oscylator wzbudza.

To podłoga, pod którą układ kwantowy nie potrafi się przekopać.

Zapamiętaj tę myśl.

Zaraz zastosujemy ją do czegoś dużo większego niż pojedynczy ciężarek na sprężynie.

Teraz krok dalej.

Zamiast jednej huśtawki na placu zabaw wyobraź sobie długą, napiętą strunę skrzypiec.

Szarpnij ją.

Drga.

Ale nie drga na jednej częstości — drga na wielu.

Ton podstawowy.

Pierwsza harmoniczna.

Druga harmoniczna.

I wyżej, i wyżej.

Prawdziwa struna niesie nieskończoną drabinę modów, gdzie każdy mod to konkretny wzór fali stojącej, a każdy mod ma własną częstość własną.

Tyle struna skrzypiec.

Teraz jeszcze jeden krok dalej.

Pole kwantowe — na przykład pole elektromagnetyczne, które wypełnia całą przestrzeń — jest w swojej strukturze matematycznej jak struna skrzypiec w trzech wymiarach, z nieskończenie wieloma modami.

Każdy mod to konkretna fala płaska pola elektromagnetycznego, o konkretnej długości fali, biegnąca w konkretnym kierunku.

Każdy mod ma własną częstość własną omega.

I tu przychodzi kluczowy fakt matematyczny, ten jeden element kwantowej teorii pola, na którym opiera się każdy kawałek następnych pięciu wykładów.

Każdy mod pola zachowuje się matematycznie jak oscylator harmoniczny.

To centralne odkrycie tego, co fizycy nazywają kwantowaniem kanonicznym.

Paul Dirac zapisał to dla pola elektromagnetycznego w 1927 roku.

Pascual Jordan i Wolfgang Pauli to uogólnili.

Na początku lat trzydziestych obraz był gotowy.

Pole kwantowe — dowolne pole kwantowe — w swoim opisie kwantowomechanicznym jest równoważne nieskończonemu zbiorowi oscylatorów harmonicznych, po jednym na każdy mod pola.

Pole elektromagnetyczne.

Pole elektronowe.

Pola kwarkowe.

Pole Higgsa.

Wszystkie.

Każde pole, które wypełnia czasoprzestrzeń, w opisie kwantowym jest zbiorem oscylatorów.

Jeśli śledzisz ten wykład, już widzisz, do czego to zmierza.

Właśnie ustaliliśmy, że każdy oscylator harmoniczny ma energię stanu podstawowego równą frac{1}{2}hbaromega.

Pole kwantowe — pole, które rzekomo wypełnia pustą przestrzeń — to zbiór nieskończenie wielu oscylatorów harmonicznych.

Więc stan podstawowy pola — stan, w którym ani jeden oscylator nie został wzbudzony ponad swój najniższy poziom — wciąż ma energię.

Stan podstawowy pola to jest to, co fizycy nazywają próżnią.

Próżnia to stan pola, w którym każdy mod siedzi na najniższym dostępnym szczeblu.

Żadnych fotonów.

Żadnych realnych cząstek.

Nic nie zostało podbite znad podłogi.

Ale sama podłoga nie leży w zerze.

Każdy mod wnosi swoje frac{1}{2}hbaromega.

A modów jest nieskończenie wiele.

Więc próżnia, w naiwnym rachunku, ma całkowitą energię, która w tym naiwnym rachunku jest nieskończona.

Wrócimy do tej nieskończoności.

Jak zobaczymy w sekcji 7, to największa nierozwiązana zagadka fizyki.

Na razie skup się na stwierdzeniu jakościowym.

Próżnia ma energię punktu zerowego.

Nie jako hipoteza.

Jako konsekwencja kwantowania kanonicznego.

Jeśli przyjmujesz, że pola są realne i że mechanika kwantowa stosuje się do pól tak samo jak do ciężarków na sprężynach, to znaczy, że właśnie przyjmujesz, że próżnia nie jest pusta.

Próżnia to stan najniższej energii każdego pola — a ta najniższa energia nie jest zerem.

To puenta sekcji 4.

Resztę wykładu spędzimy, zadając na jej temat trzy pytania.

Po pierwsze — skąd wiemy, że to prawda, a nie tylko formalna cecha matematyki?

Po drugie — czym jest program badawczy, który traktuje to poważnie, jako coś, na czym można by kiedyś zadziałać?

I po trzecie — czym jest ta katastrofalna rozbieżność między tym, co ten rachunek przewiduje, a tym, co astronomowie faktycznie obserwują, której fizycy próbują — bezskutecznie — usunąć od lat sześćdziesiątych?

Kawałek notacji, bo będzie nam potrzebna przez resztę Bloku C.

Kiedy fizycy chcą zapytać „jaka jest średnia wartość jakiejś wielkości w stanie próżni pola", zapisują to tak: $langle 0 | hat{O} | 0 rangle$ Nazwijmy każdy element.

Te dwa zera — to po lewej, zapisane langle 0 |, i to po prawej, zapisane |0rangle — to symbol samego stanu próżni.

Stanu pola, w którym każdy mod jest na najniższym dostępnym poziomie.

Te zabawne nawiasy kątowe fizycy nazywają bra i ket — to notacja wymyślona przez Paula Diraca w latach trzydziestych, gra słów od angielskiego „bracket".

Bra langle 0| i ket |0rangle razem mówią: weź stan próżni, policz w nim coś i odczytaj średnią.

To, co jest w środku — hat{O}, operator z daszkiem — to dowolna wielkość fizyczna, o którą chcesz zapytać.

Powiedzmy, gęstość energii.

Albo kwadrat pola elektrycznego.

Albo liczba cząstek.

O jakąkolwiek wielkość, którą umiesz zapisać jako operator na polu, możesz zapytać: jaka jest jej wartość oczekiwana w próżni?

Ta notacja sprowadza się prostymi słowami do: wartość oczekiwana operatora hat{O} w stanie próżni.

To wyrażenie, „próżniowa wartość oczekiwana" — czasem skracane do VEV — to chleb powszedni każdej pracy w Bloku C.

Kiedy fizyk mówi „kwadrat pola elektrycznego ma niezerową próżniową wartość oczekiwaną", mówi tyle: jeśli uśrednisz kwadrat pola elektrycznego po stanie próżni, nie dostaniesz zera.

Próżnia fluktuuje.

Te fluktuacje mają mierzalne średnie.

A te mierzalne średnie — próżniowe wartości oczekiwane — to sposób, w jaki wyciągamy fizykę.

Dwa przykłady, żeby utrwalić tę myśl.

Wartość oczekiwana gęstości energii w próżni — to problem stałej kosmologicznej, który spotkamy w sekcji 7.

Wartość oczekiwana kwadratu pola elektrycznego w miejscu elektronu wodoru — to przesunięcie Lamba, które spotkaliśmy na wstępie.

Ta sama notacja, inny operator.

Ta sama próżnia, inne pytanie.

Trzymaj się tego symbolu.

Wróci w wykładzie 8, kiedy będziemy liczyć siłę Casimira między dwiema równoległymi płytkami — a cały rachunek okaże się porównaniem dwóch próżniowych wartości oczekiwanych: jednej w wolnej przestrzeni, drugiej między płytkami, a różnica jest tym, co pcha płytki ku sobie.

Wracamy na Columbię, rok 1947.

Willis Lamb i jego doktorant Robert Retherford przepuszczają wiązkę wodoru przez obszar promieniowania mikrofalowego.

Mikrofale są nastrojone na częstotliwość, która według teorii atomu wodoru Diraca nie powinna robić nic — przy tej częstotliwości nie powinno być żadnego przejścia, bo dwa stany, które próbują połączyć, powinny mieć tę samą energię.

Cały eksperyment jest w pewnym sensie kontrolą.

Testem zerowym.

Tyle że mikrofale coś robią.

Jest przejście.

Jest wyraźny rezonans.

A rezonans leży przy częstotliwości około tysiąca megaherców — mniej więcej miliarda cykli na sekundę.

W jednostkach energii odpowiada to maleńkiemu rozszczepieniu, około 4 times 10^{-6} elektronowolta — kilku milionowym energii wiązania stanu podstawowego wodoru.

Nie zero.

Mało, ale nie zero.

Lamb i Retherford to spisują.

Praca ukazuje się w Physical Review, tom 72, strona 241, w 1947 roku, pod tytułem „Fine Structure of the Hydrogen Atom by a Microwave Method".

W ciągu kilku miesięcy Hans Bethe — w Cornell, w pociągu powrotnym z konferencji na Shelter Island — zapisuje pierwsze ilościowe wyjaśnienie.

Elektron w atomie wodoru nie siedzi w pustej przestrzeni.

Siedzi w próżni pola elektromagnetycznego — tej próżni, którą właśnie opisaliśmy, tej, w której każdy mod jest w stanie punktu zerowego o energii frac{1}{2}hbaromega.

A te fluktuacje punktu zerowego pola elektromagnetycznego coś elektronowi robią.

Szarpią go.

Trzęsą nim.

Rozmywają jego położenie o odrobinę.

A rozmyty elektron w polu kulombowskim protonu czuje trochę inną średnią siłę elektryczną niż elektron ostro zlokalizowany.

Ta różnica przesuwa energię stanu 2S{1/2} — który ma niezerową gęstość elektronową na jądrze — o inną wartość niż energię stanu 2P{1/2}, który jej nie ma.

Te dwa stany, dokładnie zdegenerowane w teorii Diraca, zostają rozsunięte przez próżnię.

Bethe trafia we właściwy rząd wielkości w czasie jednej podróży pociągiem.

Schwinger, Tomonaga i Feynman wykonują pełny rachunek relatywistyczny przez następne dwa lata — rachunek, który założył współczesną elektrodynamikę kwantową.

Do 1949 roku przewidywane przesunięcie Lamba zgadza się z pomiarem w granicach błędu eksperymentalnego.

Zgodność jest — jak na standardy fizyki — nadzwyczajna.

Zatrzymaj się na tym.

Bo to jest nośne twierdzenie tego wykładu i nie chcę go osłabiać.

Przesunięcie Lamba jest pomiarem.

Nie jest interpretacją.

Nie jest metaforą.

Lamb dostał w 1955 roku Nagrodę Nobla z fizyki, dzieląc ją z Polykarpem Kuschem, właśnie za ten pomiar.

To, co Lamb i Retherford zrobili w 1947 roku, to postawienie prawdziwej wiązki prawdziwych atomów wodoru przed prawdziwym promieniowaniem mikrofalowym i zmierzenie prawdziwej częstotliwości.

A jedyne ramy teoretyczne, które ilościowo przewidują zmierzoną przez nich częstotliwość, to takie, w których próżnia nie jest pusta — w których pole elektromagnetyczne ma fluktuacje punktu zerowego, a te fluktuacje oddziałują ze związanym elektronem.

Więc kiedy ten wykład mówi „próżnia nie jest pusta", to zdanie jest zakotwiczone w uznanym Nagrodą Nobla pomiarze z fizyki atomowej, wykonanym w 1947 roku techniką, która na standardy roku 2026 była prymitywna.

Przesunięcie Lamba to pierwsze miejsce w zapisie historycznym, w którym fluktuacje punktu zerowego przestały być formalną cechą procedury kwantowania, a stały się mierzonym efektem na prawdziwym atomie.

To moment założycielski fizyki próżni jako dyscypliny eksperymentalnej.

I jest jednym z wielu.

Siła Casimira — wykład 8 — to drugi.

Anomalny moment magnetyczny elektronu — zmierzony przez Polykarpa Kuscha w tym samym roku — to trzeci.

Siła Casimira-Poldera między dwoma atomami w stanach podstawowych, przewidziana przez Casimira i Dirka Poldera w 1948 roku i zmierzona bezpośrednio przez grupę Erica Cornella w JILA w 1993 roku — to czwarty.

Zanim dojdziemy do końca Bloku C, zobaczysz, że strukturę próżni badano spektroskopią atomową, mikroskopią sił, obwodami nadprzewodzącymi, pułapkami atomowymi.

Katalog jest długi.

Przesunięcie Lamba było tylko pierwszą pozycją.

A teraz uderzamy w ścianę.

Sekcja 4 skończyła się problemem, do którego obiecaliśmy wrócić.

Próżnia ma energię punktu zerowego.

Każdy mod każdego pola wnosi frac{1}{2}hbaromega.

Modów jest nieskończenie wiele.

Zsumowana naiwnie, gęstość energii próżni jest nieskończona.

To nie może być prawda — wszechświat tu jest, a jego geometria jest skończona — więc gdzieś w tej sumie musi być obcięcie.

Naturalne obcięcie, to podpowiadane przez analizę wymiarową na podstawowych stałych przyrody, to skala Plancka.

Z grubsza 10^{-35} metra.

Skala, na której kwantowa grawitacja musi przejąć pałeczkę od zwykłej kwantowej teorii pola.

Jeśli obetniesz sumę na skali Plancka, dostaniesz skończoną gęstość energii próżni — liczbę, którą można zapisać.

Liczba, którą dostajesz, to około 10^{112} dżuli na metr sześcienny.

To jedynka ze stu dwunastoma zerami.

To z ogromnym zapasem największa gęstość energii, jaką kiedykolwiek dał jakikolwiek uczciwy rachunek w fizyce.

A teraz porównaj tę przepowiednię z tym, co faktycznie mierzymy.

Od 1998 roku obserwacje odległych supernowych typu Ia — przez High-Z Supernova Search Team pod kierunkiem Adama Riessa i Briana Schmidta oraz przez Supernova Cosmology Project pod kierunkiem Saula Perlmuttera — pokazują, że rozszerzanie się wszechświata przyspiesza.

To przyspieszenie dobrze opisuje stała kosmologiczna: mała, jednorodna gęstość energii wypełniająca całą przestrzeń.

Cała trójka podzieliła się w 2011 roku Nagrodą Nobla z fizyki za to odkrycie.

A zmierzona wartość tej gęstości energii — liczba, którą trzeba wstawić do równań Einsteina, żeby dopasować dane o supernowych oraz, niezależnie, mikrofalowe promieniowanie tła i pomiary barionowych oscylacji akustycznych — wynosi około 10^{-9} dżula na metr sześcienny.

Garstka nanodżuli w metrze sześciennym pustej przestrzeni.

Teoria przewiduje 10^{112}.

Obserwacja znajduje 10^{-9}.

Rozbieżność sięga czynnika około 10^{121}.

Sto dwadzieścia jeden rzędów wielkości.

To jest problem stałej kosmologicznej.

W ocenie wielu fizyków to największa ilościowa rozbieżność między jakąkolwiek przepowiednią kwantowej teorii pola a jakąkolwiek obserwacją w fizyce.

Steven Weinberg nazwał go „największym kryzysem w fizyce" w swoim artykule na ten temat w Reviews of Modern Physics z 1989 roku.

Sean Carroll, którego zaraz usłyszymy, nazwał niepowodzenie w jego rozwiązaniu „najgorszą przepowiednią teoretyczną w historii fizyki" — w swoim podcaście Mindscape i w swoim podręczniku.

Jest wielu poważnych fizyków, którzy uważają tę rozbieżność za najważniejszy nierozwiązany problem fizyki fundamentalnej i sądzą, że każda przyszła teoria kwantowej grawitacji będzie musiała go wyjaśnić.

Dlaczego to ma znaczenie dla tej serii wykładów?

Bo Blok C — dwa następne wykłady — zapyta, czy struktura próżni jest czymś, na co można zadziałać w skali inżynierskiej.

Problem stałej kosmologicznej to znak ostrzegawczy nad tym pytaniem.

Jakakolwiek okaże się poprawna teoria energii próżni, jest ona subtelniejsza niż naiwny rachunek „zsumuj wszystkie mody", który właśnie zrobiliśmy.

Naiwny rachunek daje liczbę mylącą się o 121 rzędów wielkości.

Właściwy rachunek — jakikolwiek jest — będzie musiał zrobić coś, czego jeszcze nie umiemy.

Jakoś skasować większość naiwnej energii próżni, zostawiając przy tym miejsce na zmierzoną siłę Casimira, zmierzone przesunięcie Lamba, zmierzoną siłę Casimira-Poldera — na wszystkie miejsca, gdzie efekty próżniowe są obserwowane.

Wykład 9 opowie ci o jednym konkretnym programie badawczym, który bierze to wyzwanie wprost i proponuje, że resztkowa struktura próżni jest źródłem bezwładności i samej grawitacji.

Żeby przygotować tamten wykład, chcę wprowadzić głos fizyka najbardziej kojarzonego z tym ujęciem.

Bernard Haisch jest astrofizykiem.

Doktorat z astronomii zrobił na University of Wisconsin-Madison w 1975 roku.

Większość kariery spędził w Solar and Astrophysics Laboratory firmy Lockheed Martin w Palo Alto oraz jako zastępca dyrektora Center for Extreme Ultraviolet Astrophysics na UC Berkeley.

W latach 1993-2002 był redaktorem naukowym The Astrophysical Journal.

Opublikował ponad 130 recenzowanych prac o astrofizyce rentgenowskiej i EUV Słońca i gwiazd.

To głównonurtowa połowa jego dorobku.

Druga połowa — ta, która wprowadza go do tego wykładu — to praca z 1994 roku w Physical Review A, tom 49, strona 678.

Tytuł: „Inertia as a zero-point-field Lorentz force".

Współautorzy: Alfonso Rueda z California State University Long Beach i Hal Puthoff z Institute for Advanced Studies at Austin.

Praca bierze próżniowe pole punktu zerowego — dokładnie to, co ten wykład opisuje — i proponuje, że bezwładność materii, opór materii przed przyspieszaniem, sama jest siłą reakcji od przepychania materii przez pole punktu zerowego.

To praca założycielska tego, co bywa nazywane hipotezą bezwładności Haischa-Ruedy-Puthoffa, a dalsza praca Haischa nad nią mieści się w Calphysics Institute, który założył w 1999 roku.

Seria zajmie się tą propozycją szczegółowo w wykładzie 9, gdzie warunki energetyczne, wymagania ujemnej energii z Bloku B i struktura próżni z Bloku C schodzą się razem.

Na razie chcę, żeby Haisch sam wyłożył — własnym opublikowanym głosem — ujęcie tego programu badawczego.

Ujęcie ma znaczenie, bo to ono odróżnia tę serię wykładów od popularnego opowiedzenia kwantowej teorii pola.

Oto to ujęcie w parafrazie, zaczerpnięte z dorobku Haischa w Calphysics Institute i z jego pracy w Physical Review A z 1994 roku.

Pole punktu zerowego nie jest teoretyczną ciekawostką.

Jest mierzone.

Jest w przesunięciu Lamba, gdzie przesuwa poziomy energetyczne wodoru o części na milion.

Jest w anomalnym momencie magnetycznym elektronu, gdzie przesuwa czynnik g o części na miliard.

Jest w sile Casimira, gdzie zbliża do siebie równoległe płytki.

Jest w sile Casimira-Poldera, gdzie przyciąga obojętne atomy do obojętnych powierzchni.

Standardowa kwantowoelektrodynamiczna interpretacja tych efektów jest taka, że to poprawki radiacyjne — perturbacyjne oddziaływania cząstek naładowanych z modami próżni.

Nasza praca — Ruedy, Puthoffa, moja — polega na pytaniu, czy inne własności fizyczne, które dziś przyjmujemy jako dane, też mogą mieć próżniowe pochodzenie.

Bezwładność.

Grawitacja.

Możliwe, że i widmo trwałych mas cząstek.

Program badawczy jest publikowany w Physical Review A i w Foundations of Physics.

To stanowisko mniejszościowe we współczesnej fizyce.

Nurt główny umieszcza źródło bezwładności i grawitacji gdzie indziej — w mechanizmie Higgsa dla masy spoczynkowej, w krzywiźnie czasoprzestrzeni dla grawitacji.

Nasze stanowisko jest takie, że próżnia robi więcej roboty, i że część tego, co Model Standardowy przypisuje innym mechanizmom, może się ostatecznie okazać dziełem dynamiki próżni.

Nie jesteśmy konsensusem.

Jesteśmy programem badawczym, publikowanym w recenzowanych czasopismach, z rachunkiem, z zapisem cytowań i z krytyczną literaturą, która nam odpowiada.

Tym właśnie jest program badawczy.

Dwie rzeczy do zaznaczenia przy tej parafrazie, zanim pójdziemy dalej.

Po pierwsze — i to jest redakcyjna dyscyplina tej serii — wyprowadzenie Haischa-Ruedy-Puthoffa było krytykowane w tym samym czasopiśmie, które je pierwotnie opublikowało.

Michael Ibison, wtedy w Institute for Advanced Studies at Austin, i niezależnie A.

K.

T.

Assis oraz inni opublikowali odpowiedzi.

Najczęściej cytowaną krytyczną odpowiedzią jest tekst Roberta Little'a w Physical Review A z 2009 roku.

Zajmiemy się tymi krytykami w wykładzie 9.

Praca z 1994 roku jest prawdziwa.

Krytyka też jest prawdziwa.

Obie należą do tego wykładu.

Po drugie — ujęcie Haischa jest tu zgodne z tym, co Puthoff powiedział, przekazując pałeczkę w wykładzie 1.

Próżnia ma strukturę.

Metryka jest w tym obrazie pochodną dynamiki próżni.

Pytanie programu badawczego brzmi, czy na tę strukturę da się w zasadzie zadziałać.

Po to właśnie jest Blok C.

A teraz druga strona sali.

Sean Carroll ma doktorat z fizyki teoretycznej z Harvardu, rok 1993.

Jest profesorem filozofii naturalnej im. Homewood na Johns Hopkins University; dołączył do wydziału w 2022 roku po długim okresie jako profesor badawczy w Caltech.

Jest autorem Spacetime and Geometry, standardowego podręcznika ogólnej teorii względności dla starszych roczników studiów i pierwszego roku doktoratu, używanego w Caltech, w Chicago, w MIT i na wielu innych uczelniach badawczych — podręcznika, z którego znaczna część pracujących fizyków nauczyła się tego przedmiotu.

Jego nowsze Quanta and Fields, drugi tom trylogii Biggest Ideas in the Universe, traktuje kwantową teorię pola dokładnie na tym poziomie, na jakim pracuje ten wykład, dla ogólnego, ale matematycznie piśmiennego czytelnika.

Opublikowane stanowisko Carrolla wobec próżni kwantowej jest po stronie technicznej głównonurtowym konsensusem.

Efekt Casimira, przesunięcie Lamba, siła Casimira-Poldera, bieganie stałych sprzężenia w kwantowej teorii pola — wszystko zmierzone, wszystko recenzowane, wszystko bezspornie rozumiane jako efekty próżniowe.

Spór zaczyna się, gdy badacze próbują przekuć „próżnia ma mierzalną strukturę" w „strukturę próżni da się inżynierować w skali makroskopowej, żeby robiła rzeczy, których dziś nie umiemy".

Dyscyplina Carrolla polega na upieraniu się przy różnicy między tym, co zmierzone, tym, co zamodelowane, i tym, co spekulowane.

Oto jego ujęcie w parafrazie, zaczerpnięte ze Spacetime and Geometry, z Quanta and Fields, z jego bloga Preposterous Universe i z odcinków podcastu Mindscape o energii próżni i stałej kosmologicznej.

Wyłóżmy różnice, które popularne relacje zwykle zamazują.

Jest czysty ranking tego, jak bardzo powinniśmy być pewni różnych twierdzeń o próżni.

Na szczycie — przesunięcie Lamba, efekt Casimira, siła Casimira-Poldera, anomalny moment magnetyczny elektronu, bieganie stałych sprzężenia.

To są zmierzone efekty, przewidziane przez elektrodynamikę kwantową z nadzwyczajną precyzją, powtórzone w wielu laboratoriach.

Struktura próżni, na poziomie poprawek radiacyjnych do spektroskopii atomowej i do sił małej skali, jest potwierdzona tak dobrze jak cokolwiek w fizyce.

Kolejny poziom — stała kosmologiczna.

Przyspieszające rozszerzanie się wszechświata jest zmierzone.

Najprostsze wyjaśnienie to jednorodna energia próżni rzędu 10^{-9} dżula na metr sześcienny.

To, że jest ona źródłem przyspieszenia, to hipoteza robocza zgodna ze wszystkimi obecnymi danymi; to, że jest tą samą energią próżni, którą rachunek kwantowej teorii pola przewiduje na 10^{112}, to centralny otwarty problem fizyki fundamentalnej.

Nie wiemy, dlaczego odpowiedź jest tak mała.

Mamy wiele propozycji — supersymetryczne kasowania, selekcję antropiczną, modyfikacje grawitacji — żadna nie jest potwierdzona empirycznie.

Najniższy poziom — propozycje manipulowania próżnią w skali inżynierskiej, żeby wyciągnąć użyteczną energię, wytworzyć ciąg albo zmniejszyć masę bezwładną.

Są programy badawcze w tym kierunku.

Są publikowane w recenzowanych czasopismach.

Nie są stanowiskiem głównego nurtu.

Uczciwa linia redakcyjna brzmi: realność próżni jest ustalona, stała kosmologiczna jest problemem otwartym, a propozycje inżynierskie są na etapie, na którym właściwe pytanie brzmi: pokażcie mi niezależne powtórzenie.

Tej linii bym się trzymał.

Tej linii trzyma się mój podręcznik.

Tej linii trzyma się Quanta and Fields.

Nie odrzucenie programu badawczego.

Ale też nie poparcie.

Kalibracja.

Dyscyplina Carrolla jest w pewnym sensie dyscypliną całej tej serii wykładów.

Próżnia ma strukturę.

Ta struktura jest zmierzona.

Problem stałej kosmologicznej jest nierozwiązany.

Propozycje inżynierskie to otwarte programy badawcze, które do dziś nie dały niezależnie powtórzonego efektu technologicznego.

Możesz przyjąć wszystkie te cztery zdania jako nośne dla wszystkiego, co dalej.

Są też dokładnie tymi czterema zdaniami, o które ten wykład walczył.

Oto nić prowadząca do wykładu 8.

Ten wykład spędziliśmy na ustaleniu, że próżnia nie jest pusta — że jest stanem najniższej energii każdego pola kwantowego i że nawet w tej najniższej energii ma mierzalną strukturę.

Przesunięcie Lamba potwierdziło, że ta struktura sprzęga się z poziomami energetycznymi pojedynczego atomu.

Problem stałej kosmologicznej ostrzega nas, że objętościowej energii próżni nie rozumiemy do końca.

A ujęcie z Calphysics — Haischa — dowodzi, że istnieje program badawczy pytający, jakie inne własności fizyczne mogą pochodzić od próżni.

Wykład 8 to najczystszy makroskopowy pomiar struktury próżni.

W 1948 roku — rok po tym, jak Lamb zmierzył przesunięcie Lamba — holenderski fizyk Hendrik Casimir, pracujący w Philips Research Laboratories w Eindhoven, zadał pytanie, które w 1948 roku wyglądało niemal akademicko.

Co, jeśli postawisz dwie płaskie, równoległe, elektrycznie nienaładowane metalowe płytki bardzo blisko siebie w próżni?

Co by się stało?

Klasycznie — nic.

Płytki są obojętne.

Nie ma ładunku, który by odpychał albo przyciągał.

Nie łączy ich żadne pole elektromagnetyczne.

Ale kwantowomechanicznie — Casimir to dostrzegł — jest coś.

Próżnia między płytkami może utrzymać tylko te mody elektromagnetyczne, których długości fal mieszczą się między płytkami.

Mody o długościach fal dłuższych niż szczelina są wykluczone.

Nie mogą drgać między dwiema doskonale przewodzącymi ściankami odległymi o mniej niż pół długości fali.

Więc próżnia między płytkami ma mniej modów niż próżnia na zewnątrz płytek.

Energia punktu zerowego jest zatem między płytkami niższa niż na zewnątrz.

A obszar o niższej energii punktu zerowego jest — tą samą logiką, która każe wodzie płynąć w dół — mechanicznie uprzywilejowany.

Płytki zostają dopchnięte do siebie.

Siła na jednostkę powierzchni między dwiema doskonale przewodzącymi równoległymi płytkami przy próżniowej odległości a wynosi — i to jeden z najczystszych wzorów w fizyce — $frac{F}{A} = -frac{pi^2 hbar c}{240 a^4}$ Powierzchnia płytki A, szczelina a, stała Plancka hbar, prędkość światła c.

Znak minus oznacza przyciąganie.

Zależność od czwartej potęgi szczeliny oznacza, że siła spada bardzo szybko z odległością — dlatego zmierzono ją czysto dopiero wtedy, gdy zrobił to Steve Lamoreaux w Yale w 1997 roku — Physical Review Letters, tom 78, strona 5 — techniką wagi skręceń czułą w skali mikrometra.

Pomiar z 1997 roku zgodził się z przepowiednią Casimira z 1948 roku z dokładnością do kilku procent.

Od tamtej pory powtórzyło go wiele grup.

Siła Casimira to ustalona fizyka.

To jest wykład 8.

Rzecz, którą trzeba wziąć z tego wykładu do następnego, to twierdzenie jakościowe.

Próżnia ma między dwiema płytkami mniej modów niż na zewnątrz nich.

Gęstość energii jest zatem inna.

Ta różnica to mierzalna, makroskopowa siła.

To zdanie — powiem je jeszcze raz — jest najczystszym empirycznym oparciem, jakie ma program badawczy inżynierii metryki.

Czy to oparcie sięga większych twierdzeń Bloku C — hipotezy bezwładności, przeformułowania grawitacji przez polaryzowalną próżnię, propozycji inżynierskich Bloku D — to właśnie jest pytanie otwarte.

Zobaczymy w wykładzie 8.

Krótka wstawka dla słuchacza, który chce zacząć czytać opublikowaną literaturę o efekcie Casimira z kontrolą eksperymentalną w ręku.

Najtańszy opublikowany precedens pomiarowy sąsiadujący z kotwicą gęstości energii próżni z tego wykładu to charakterystyka termicznej podłogi szumowej opróżnionej wnęki — podłogi, względem której trzeba mierzyć każdy późniejszy sygnał modulowany warunkami brzegowymi (wykład 8).

Precyzyjna waga o czułości poniżej mikrograma, cienka powierzchnia testowa napylona złotem i komora próżniowa z kontrolą temperatury są dostępne komercyjnie na rynku uczelnianych nadwyżek laboratoryjnych.

Realny koszt w 2026 roku to około dziesięć do dwudziestu pięciu tysięcy dolarów za układ zdolny dać wynik na poziomie pikoniutona; tańsze układy w przedziale trzech do pięciu tysięcy dolarów sięgają reżimu szumu mikroniutonowego, co jest realnym progiem wejścia dla amatora.

Opublikowanym precedensem jest klasa pomiarów metrologicznych Pratta-Cannona w NIST w latach dziewięćdziesiątych i dwutysięcznych.

Recenzowanym wynikiem jest charakterystyka podłogi szumowej na poziomie pikoniutona, względem której da się ocenić statyczny sygnał siły Casimira przy odległości od 1 do 6 mikrometrów — a metrologia sił pikoniutonowych to robota na poziomie doktoranta, nie luźna umiejętność studencka.

Opublikowany pomiar Lamoreaux z 1997 roku w tym samym zakresie odległości osiągnął precyzję 5 procent; staranny amatorski układ z precyzyjną wagą, komorą próżniową i kontrolą termiczną — w ramach opublikowanego precedensu — potrafi dać charakterystyki podłogi szumowej wystarczające, by ograniczyć sygnał Casimira na poziomie dziesiątek procent przy pierwszym podejściu, a dojście do reżimu 20-30 procent wymaga wytrwałej praktyki kalibracyjnej.

Obowiązują standardowe osłony przeciwimplozyjne komory próżniowej, ochrona oczu podczas pompowania i bezpieczeństwo elektryczne na wysokonapięciowych przepustach sondy jonizacyjnej.

To nie jest ćwiczenie „zbuduj napęd warp"; to ćwiczenie „ogranicz podłogę szumową", które jest fundamentalną dyscypliną każdego kolejnego pomiaru w inżynierii próżni.

Dwa schematy.

Ta sama fizyka.

Po lewej — przesunięcie Lamba.

Pierwszy pomiar efektu próżniowego, 1947, w piwnicy Columbii, techniką, którą dałoby się odtworzyć z katalogu wysyłkowego Sears i z demobilowego generatora radarowego.

Próżnia działa na pojedynczy atom wodoru.

Działanie jest małe.

Działanie jest zmierzone.

Działanie zdobywa Nagrodę Nobla.

Próżnia jest realna.

Po prawej — stała kosmologiczna.

Ta sama próżnia, zsumowana po wszystkich modach, które wypełniają całą przestrzeń.

Przepowiednia teoretyczna rozmija się z wartością obserwowaną o czynnik 10^{121}.

Nie wiemy dlaczego.

W tej szczelinie siedzi największy nierozwiązany problem fizyki fundamentalnej.

Pomiędzy — cały program Bloku C.

Jeśli próżnia ma strukturę, ta struktura jest mierzalna w skali atomowej i ta struktura w jakiś sposób odpowiada za gęstość energii w skali kosmologicznej, której nie umiemy jeszcze przewidzieć — to pytanie, czy na część tej struktury da się zadziałać w skali inżynierskiej, jest pytaniem wykładów 8 i 9.

Blok B powiedział nam, czego potrzebowałaby geometria, żeby zrobić coś ciekawego.

Blok C zaczyna nam mówić, co próżnia ma, co mogłoby tego dostarczyć.

Czy podaż odpowiada zapotrzebowaniu — to pytanie inżynierskie.

Blok D zajmie się nim na serio.

Wykład 8 podejmuje temat tam, gdzie ten się zatrzymuje.

Casimir 1948.

Lamoreaux 1997.

Pierwszy makroskopowy pomiar ujemnego ciśnienia w próżni i to, co mówi — a czego nie mówi — o inżynierii metryki.

Ten sam słuchacz.

Ta sama próżnia.

Nowy eksperyment.