Flydende rum

 Der foregår så meget i et vakuum, at det begynder at ligne en substans i sig selv

Paul Davies*


Er rummet kun rum? Eller er det fyldt af en slags mystisk, uhåndgribelig substans? De gamle grækere troede det og det gjorde videnskabsfolkene også i det 19. århundrede. Men i den tidlige del af det 20. århundrede var ideen kommet i miskredit og syntes at være forsvundet for evigt.
    Nu kaster kvantefysikken imidlertid nyt lys på dette skumle emne. Nogle af ideerne, der mistede gunsten, kryber tilbage i den moderne tænkning og giver anledning til ideen om en kvanteæter.
    Denne overraskende genoplivelse tilbyder nye indsigter i naturen af bevægelse gennem rummet, Universets dybe forbundethed og muligheden for tidsrejse. Opfindsomme nye eksperimenter kan måske endda tillade os at detektere kvanteæteren i laboratoriet eller tøjle den til teknologiske formål.
    Hvis det er tilfældet, vil vi have besvaret et spørgsmål, der har bekymret filosoffer og forskere i årtusinder. I det 5. århundrede f.Kr. konkluderede Leucippus og Demokrit, at det fysiske univers var lavet af små partikler - atomer - der bevægede sig i et tomrum. Umuligt, imødegik Parmenides tilhængere. Et tomrum betyder intethed og hvis to atomer var adskilt af ingenting, så ville de slet ikke være adskilt, de ville røre hinanden. Så rummet kan ikke eksistere uden det er fyldt med noget, en substans de kaldte plenum.
    Hvis plenum findes, må det være meget ulig almindeligt stof. F.eks. erklærer Isaac Newtons love om bevægelse, at et legeme, der bevæger sig gennem det tomme rum, uden at kræfter virker på det, vil fortsætte med at bevæge sig på samme måde. Så plenum kan ikke udøve friktion - hvis det gjorde, ville Jorden bevæge sig langsommere og falde i en spiral ind mod Solen.
    Ikke desto mindre var Newton selv overbevist om, at rummet var en slags substans. Han bemærkede, at ethvert legeme, der roterede i et vakuum - f.eks. en planet der drejer i rummet - ,oplever en centrifugalkraft. Jorden buler lidt ud ved ækvator som resultat. Men sandt tomt rum har ingen landemærker, ud fra hvilke rotationen kan måles. Så, tænkte Newton, der må være noget usynligt, der lurer der for at give en referenceramme. Dette noget skaber centrifugalkraften, når det reagerer tilbage på det roterende legeme.
    Det 17. århundredes tyske filosof Gottfried Leibnitz var uenig. Han troede, at al bevægelse er relativ, så rotation kan kun måles med reference til fjernt stof i universet. Vi ved, Jorden drejer, fordi vi ser stjernerne gå rundt. Tag resten af universet bort, sagde Leibnitz, og der ville ikke være nogen måde, hvorpå man kunne afgøre om Jorden roterede og derfor ingen centrifugalkraft.
    Troen på at rummet er fyldt af noget mærkeligt, tyndt stof blev styrket i det 19. århundrede. Michael Faraday og James Clerk Maxwell anså elektriske og magnetiske felter for at være tryk i et usynligt materielt medium, der blev kendt som den lysende æter. Maxwell troede, at elektromagnetiske bølger som lys var vibrationer i æteren. Og ideen, at vi er omgivet og gennemtrænges af en slags spøgelsesagtig gele, appellerede til dagens spiritualister, som udklækkede ideen, at vi har en æterisk krop såvel som en materiel.
    Men da Albert Michelson og Edward Morley prøvede at måle, hvor hurtigt Jorden bevæger sig gennem æteren ved at sammenligne hastigheden for lyssignaler gående i forskellige retninger, var svaret, de fik, nul.
    En forklaring kom fra Albert Einstein: æteren eksisterer simpelthen ikke og Jordens bevægelse kan kun betragtes relativt til andre materielle legemer, ikke til selve rummet. Faktisk kan intet eksperiment bestemme et legemes hastighed gennem rummet, da ensartet bevægelse er helt relativ, sagde han.
    Det lyder OK indtil videre, men der var en komplikation: acceleration. Hvis man er i en flyvemaskine, der flyver med jævn hastighed, kan man ikke afgøre om man bevæger sig relativt til jorden, med mindre man ser ud af vinduet, ligesom Einstein forsikrede. Man kan hælde en drink op og nippe til den ligeså komfortabelt, som hvis man var i hvile i sin dagligstue. Men hvis flyet accelererer eller pludselig sætter farten ned, bemærker man det med det samme, fordi ens drink skvulper rundt. Så selv om ensartet bevægelse er relativ, forekommer acceleration at være absolut: man kan detektere den uden reference til andre legemer.
    Einstein ønskede at forklare denne inertivirkning - det vi alment kunne kalde g-kræfter - ved brug af den østrigske forsker Ernst Machs ideer. Som Leibnitz troede Mach, at al bevægelse er relativ, inkluderende acceleration. Ifølge Mach skyldes det, at drinken skvulper i det slingrende fly, indflydelsen fra alt stof i Universet - en ide, der blev kendt som Machs princip. Einstein blev tiltrukket af ideen om, at resten af universets gravitationsfelt kunne forklare centrifugale og andre inertikræfter, der resulterede fra acceleration.
    Da Einstein i 1915 afsluttede formuleringen af sin almene teori om relativitet - en teori om rum, tid og gravitation - var han imidlertid skuffet over, at den ikke indeholdt Machs princip. Tværtimod viste matematikeren Kurt Gödel i 1948, at en løsning på Einsteins ligninger beskriver et univers i en tilstand af absolut rotation - noget der er umuligt, hvis rotation kun kan være relativ til fjernt stof. Så hvis accelerationen ikke er defineret som relativ til fjernt stof, hvad er den så relativ til? En ny version af æteren?
    I 1976 begyndte jeg at undersøge, hvad kvantemekanikken kunne have at sige. Ifølge kvantefeltteori har vakuumet nogle mærkelige egenskaber. Heisenbergs ubestemthedsprincip betyder, at selv i tomt rum springer subatomare partikler som elektroner og fotoner konstant til live fra intetsteds og svinder så bort igen næsten øjeblikkeligt. Dette betyder, at kvantevakuumet er en sydende lystighed af flygtige "virtuelle partikler".
    Skønt disse partikler mangler normalt stofs bestandighed, kan de alligevel have en fysisk indflydelse. For eksempel vil et par spejle, der arrangeres, så de ligger ekstremt tæt ind mod hinanden føle en lille tiltrækkende kraft, selv i et perfekt vakuum, på grund af den måde opstillingen påvirker de virtuelle fotoners adfærd. Dette er blevet bekræftet af mange eksperimenter.
    Så det er klart, at kvantevakuumet minder om æteren i den forstand, at der er mere end blot ingenting. Men hvordan er den nye form for æter så? Man kunne tro, at en virkelig partikel som en elektron, der bevæger sig i dette hav af virtuelle partikler, måtte slå sig vej gennem og tabe energi og efterhånden gå langsommere. Sådan er det ikke. Som den gamle æter udøver kvantevakuumet ingen fraktionsmodstand på en partikel med konstant hastighed.
    Men det er en anden sag med acceleration. Kvantevakuumet påvirker accelererende partikler. For eksempel bliver en elektron, der kredser om et atom, skubbet af virtuelle fotoner fra vakuumet, hvilket fører til en lille, men målelig ændring i dens energi.
    Og ifølge mine beregninger fra 1976 burde en observatør, der accelererer gennem det tomme rum, se sig omgivet af elektromagnetisk stråling som fra en varm genstand. Jo stærkere acceleration jo varmere stråling.
    Senere det år nåede William Unruh ved University of British Columbia en lignende konklusion ved at overveje, hvordan kvantevakuumet kunne påvirke en accelererende partikeldetektor. Unruhs metode kunne bruges på roterende acceleration og beregninger afslørede, at en roterende detektor i et vakuum også ville se stråling. Kunne denne varmestråling være æteren, der glødede?
    For at finde ud af det med sikkerhed ville vi være nødt til at observere strålingen i virkeligheden. Virkningen er imidlertid meget lille: for at registrere en temperatur på bare 1 kelvin kræves der en acceleration på omkring 1021 g. At accelerere en fysiker så alvorligt er næppe et praktisk forslag. Men måske kunne vi udsætte en subatomar partikel for sådan vold. Sidste måned forårsagede Daniel Vanzella og George Matsas fra State University i São Paulo oprør ved at pege på, at hvis strålingsvirkningen findes, kunne den forårsage, at en proton gjorde noget, der ellers aldrig ville ske. En hurtigt accelererende proton ville absorbere energi fra den omgivende stråling og blive til en neutron og skabe en positron neutrino i løbet af processen. Men at opnå så enorme accelerationer er yderst vanskeligt, selv med en proton.
    Så findes der en blidere måde? I 1970'erne undersøgte Stephen Fulling og jeg, som da arbejdede på King's College London, hvordan kvantevakuumet ville blive forstyrret af et spejl, der bevægede sig. Vi fandt, at som med en partikel, der bevægede sig, var der ingen virkning, hvis spejlet bevægede sig med konstant hastighed. Til vor overraskelse viste det samme sig at være sandt for et ensartet accelererende spejl. Et spejl som ændrer sin acceleration - ved f.eks. at vrikke frem og tilbage - exiterer kvantevakuumet og skaber virkelige fotoner. Det kunne være muligt at forstærke denne bevægeligt-spejl stråling ved at bruge en resonant kavitet med vibrerende vægge. Marc-Thierry Jaekel, Astrid Lambrect og Serge Reynaud fra University of Paris, Jussieu beskrev et sådant eksperiment tidligere i år. De viste, at de resonante oscillationer ikke kun forstærker strålingen, de mener, at den udstråles i skarpt toppede udbrud, hvilket hjælper med at gøre den distinkt. Det uløste problem er, hvordan man ryster kaviteten voldsomt nok, mens man holder den meget kold, så varmestrålingen ikke overvælder det stadig svage signal.
    Der kunne være en måde at føle æteren mere direkte på. Teorien forudsiger, at kvantevakuumet på nogen måder opfører sig som en tyktflydende væske. Ifølge almen relativitet er et gravitationsfelt blot en forvrængning af rumtidens geometri. Og det viser sig, at en afbøjning af rummet belaster kvanteæteren. Hvis denne belastning ændrer sig med tiden, får man friktion. Sent i 1960'erne opdagede Leonard Parker, at et ekspanderende eller et sammentrækkende Univers ville skabe partikler ud af et rent vakuum. Virkningen er, at strækningen af rummet ryster nogle af de virtuelle partikler frem og laver dem til virkelige partikler.
    På omkring samme tid forudsagde Unruh og Alexei Starobinskii fra Moscow University en lignende virkning nær sorte huller. De viste, at hvis et sort hul (som i virkeligheden kun er yderst afbøjet rum) roterer, udstråler det kvantepartikler og gløder. Kvanteæteren giver en nydelig måde at forklare det på. Når hullet roterer, trækker det æteren med sig rundt. Trækvirkningen er stærkere nær hullet, så æteren forskydes, hvilket opvarmer den og får den til at gløde. Uheldigvis er gløden så svag, at intet forudsigeligt teleskop vil kunne se den.
    Heldigvis behøver man ikke et sort hul for at observere æterfriktion. I 1997 viste John Pendry fra Imperial College, London, at et spejl, der glider sidelæns parallelt med et andet spejl, der vender ind imod det, burde blive udsat for friktion selv i et vakuum, fordi de virtuelle fotoner, der er i klemme imellem dem, ville opvarme spejloverfladerne. Denne varmeenergi kan kun komme fra pladernes kinetiske energi og derfor ville deres hastighed falde.
    Det samme ville gælde for et enkelt atom, der bevæger sig nær en metaloverflade. Så i teorien burde et atom, der falder ned i det eksakte midte af et lodret metalrør, opnå en grænsehastighed efterhånden som det pløjer sig gennem det tyktflydende kvantevakuum, ligesom et kugleleje der tabes ned i olie. Med fremskridt i kolde-atomer optik, kunne et sådant eksperiment blive gennemførligt i den nære fremtid.
    Dog, selv om vi kunne detektere kvanteæteren så dramatisk, er alle de virkninger jeg har beskrevet indtil nu svage. Ingen af dem har en kraftig indflydelse på Universet, så man kunne tro at kvanteæteren blot er en lille kuriositet. Men nogle fysikere mener at lige det modsatte er sandt.
    Bernard Haisch fra California Institute for Physics and Astrophysics i Palo Alto og hans kolleger har beregnet virkningen af kvantevakuumet på en accelererende ladet partikel og hævder, at den efterligner virkningen af masse (New Scientist, 3 februar, p 22). Dette, siger Haisch, er inertiens sande oprindelse og løser den gamle gåde om acceleration og relativ bevægelse. Kort sagt, så skvulper ens drink, når flyet slingrer, fordi kvantevakuumet skubber mod de accelererende atomer. Skønt få forskere indtil videre har accepteret denne påstand, så driller muligheden.
    Og der er en spændende pil mod noget dybere. Kvantefysikken er berømt for sin "ikke-lokalitet": det faktum, at det ikke er muligt at karakterisere den fysiske situation i et punkt i rummet uden reference til systemets tilstand i de bredere omgivelser. Kvantevakuumet er ingen undtagelse, da dets tilstand defineres over hele rummet. Dette sætter det i stand til at "føle" hele Universets struktur og derved forbinde det globale og lokale på lige præcis den måde Mach havde i tankerne. Denne ikke-lokalitet tyder på en mulig forbindelse mellem lokal fysik og fjernt stof i Universet - en forbindelse, der kunne istandbringes af kvanteæteren. Blandt andre ting kunne det forklare, hvorfor vi deler en absolut accelerationsramme med de fjerne stjerner.
    Dette er ikke Maxwells æter. Snarere end at være det medium, der transmitterer lys, er den lavet af lys - virtuelle fotoner - og andre virtuelle partikler. Den er heller ikke plenum. De græske filosoffers oprindelige argument mod tomrummet har mistet meget af sin kraft, fordi fysikerne i dag har små vanskeligheder med at forestille sig begrebet om tomt rum. Men nu stiller de spørgsmål ved, om selve rummet er virkeligt fundamentalt. Måske er rummet, som vi kender det, en særlig konfiguration af en dybere kvanteentitet, hvis egenskaber vi kun kan gætte på. Langt fra at have afskyet et vakuum, kan naturen have arbejdet meget hårdt på at skabe et.

Tidsmaskiner og uendelig energi
Kunne vi tappe kvanteæteren som en kraftkilde? Den første overvejelse er, hvor meget energi den indeholder. Ved beregning med kvantefeltteori, får man en enorm energitæthed - omkring 10110 joule pr. kubikcentimeter. Det kan lyde som en mængde fri energi, der venter på at blive udnyttet, men uheldigvis kan det ikke være sandt. Vakuumenergi har en antigravitationsvirkning - den skubber rummet fra hinanden - og så megen antigravitation ville være katastrofal.
    Astronomer tror, at en slags mørk energi langsomt forøger hastigheden af Universets udvidelse. Hvis kvantevakuumet er ansvarligt, så ville det skulle have en energitæthed på ikke mere end nogle få joule pr. kubikcentimeter - en temmelig dårlig energikilde. Hvad mere er, for at få fat på denne energi ville man behøve et reservoir med endnu lavere energi, ind i hvilket energien kan flyde. Så medmindre man kan reducere vakuumenergien i et område af rummet, kan man ikke udtrække den, der er der.
    Men vi kunne finde en endnu mere eksotisk anvendelse for vakuumet. Gravitationsfelter modificerer æterens energi og kan sommetider gøre den negativ. Nogle astrofysikere har spekuleret på at bruge negativ-energi æter til at bygge et ormehul i rummet. Ormehuller er hypotetiske genveje gennem rumtiden mellem to vidt adskilte punkter og de er blevet berømte som potentielle tidsmaskiner. Ifølge almen relativitet kunne en astronaut komme hjem før han eller hun rejste ved at gennemrejse et ormehul og returnere gennem normalt rum ved høj hastighed.


 Beregninger af Kip Thorne og hans kolleger på California Institute of Technology viste, at et ormehul hurtigt ville kollapse under sin egen gravitation, medmindre det blev understøttet af noget eksotisk materiale med betydelig negativ energi - som passende modificeret æter.
    At besøge fortiden på denne måde baner imidlertid vej for alle slags bekymrende paradokser, som at dræbe sin egen bedstefader før han fik nogen børn og derved benægte sin egen eksistens. Mange fysikere er dybt ulykkelige over sådanne paradokser og tror at naturen vil forbyde rejser baglæns i tiden. Stephen Hawking foreslog en "kronologibeskyttelses hypotese", som siger, at hvis man prøver at lave en tidsmaskine vil noget stoppe en.
    Men hvad kunne det noget være? Svaret kunne være selve kvanteæteren. Alle disse virtuelle partikler, der sværmer i vakuumet, kunne blive fanget i tidsspiralen omkring et ormehul. Dette ville modificere kvanteæterens struktur alvorligt og forøge dens energi nær ormehullet. Det forbliver uklart om den intense gravitation, der er associeret med denne sydende energi, ville ødelægge ormehullet og forhindre tidsrejse. Måske kunne en kosmisk ingeniør, der var klog nok, bruge den negative æterenergi til at stabilisere ormehullets indre, mens han forhindrede æterenergien, der hvirvler rundt om ormehullet, i at eskalere ud af kontrol.

*Paul Davies er fysiker og skribent, baseret på Macquarie University, Sydney og University of Queensland.

Fra New Scientist, 3. november, 2001.

29. april, 2002.
Index