A vákuum életre kel ${}^{\mathrm{<span\; class="idea"\; data-nb-ref-number="2"\; id="idea2"\; data-nb-words="1"\; data-nb-chars="1">8</span>}}$

Isaac Newton a testek mozgásállapotának változásait összekapcsolta a köztük fellépő erőhatásokkal. Elmélete szerint két test között, akár földi, akár égi objektumokról legyen szó, időtlen idők óta ható erők teremtenek kölcsönhatást. A mozgásnak mintegy színpadot biztosító tér üres, sem a mozgás nem változtatja meg a tér öröktől való euklideszi geometriáját, sem az üres tér nem befolyásolja a benne megvalósuló mozgásokat. Ez a kölcsönhatásoknak a távolhatás ra alapozott dinamikai felfogása, amit az égi és földi mechanika legfontosabb kérdésköreire a XVIII. és XIX. században teljes sikerrel alkalmaztak. Ezért aztán a XVIII. század végén és a XIX. század elején az elektromos és mágneses erőhatások törvényeit feltáró tudósok (Cavendish, Coulomb, Ampère) is szigorúan követték a mechanika példáját.

A kölcsönhatásoknak ezt az időtlen, sztatikus rendjét rendítette meg Michael Faraday. Õ közelhatás ként értelmezte az elektromos erőhatást. A tér valamely pontjába helyezett próbatöltés az ott uralkodó elektromos térerősséget észleli, amelyet Faraday erővonalak segítségével ábrázolt. Az erővonalábra a folyadék áramvonalaihoz hasonlatos képzetet kelt, és természetesen vezet az elektromos fluxus fogalmához. Hasonló fogalommal, a mágneses erővonalak egy felületen áthaladó nyalábjának erősségét jelző mágneses fluxus időbeli változásával értelmezte Faraday 1830-ban az elektromágneses indukció jelenségét.

James C. Maxwell az 1850-es évek végén mutatott rá az elektromos és a mágneses térerő szerepcseréjével fellépő jelenségre, azaz az elektromos fluxus időbeli változásával keletkező mágneses térre. A két, egymásba kapcsolódó hatás együttes önfenntartó megnyilvánulásai az elektromágneses hullámok, amelyek létezését Heinrich Hertz kísérletileg bizonyította. Az elektromos töltések és áramok nélküli térben is létezni, azaz terjedni képes elektromágneses hullámok okán fogadjuk el az elektromos és mágneses fluxusokat önmagukban, azaz a töltés- és áramhordozó anyagtól függetlenül létező objektumokként.

Köztudott, hogy a vízrészecskéknek egyensúlyi helyzetük körül végzett összehangolt rezgőmozgásából alakul ki a tetszőleges távolra eljutó vízhullám. Ugyanez igaz a levegő térben és időben periodikus összenyomódásainak tovahaladására, a hanghullámok terjedésére. Maxwell és kortársai a mechanikai hullámok mintáját követve az elektromágneses hullámokat, ideértve a fényt is, valamilyen, a teret teljes mértékben kitöltő közegben haladó zavarként értették. A fény terjedése akadálytalan az elérhető legnagyobb mértékben ritkított anyagtartalmú közegben is, azaz terjedése nincs hozzákötve a makroszkopikus anyagfajták egyikéhez sem! Így aztán a lehető leglégiesebb, az egyéb anyagfajtákkal nem kölcsönható közeg létezését tételezték fel, amelynek névadója a görög világmodell legfelsőbb szféráját kitöltő ötödik elemi anyag, az éter. Ezzel újjászületett Arisztotelésznek a tökéletesen üres térségként értelmezett vákuumtól rettegő, a teret anyaggal kitöltő világfelfogása, amellyel Newton elődei igyekeztek magyarázni a gravitációs hatás létrejöttét is.

Az éter rugalmas tulajdonságainak számos mechanikai modelljét alkották meg, ám minden olyan kísérleti próbálkozás kudarcot vallott, amely az éterrel való kölcsönhatásnak vagy az éterhez viszonyított mozgásnak az észlelésére irányult. A legnevezetesebb ezek közül Michelson és Morley kísérletsorozata a fény éterhez viszonyított sebességének interferometrikus kimutatására. A hiábavaló próbálkozások rávezették a fizikusokat, hogy a térerősség és térbeli hullámzása önmagában is létezhet.

Úgy tűnt, hogy a végső döfést Einstein 1916-ban közzétett gravitációelmélete meg is adta az éternek. Az általános relativitás elmélete összekapcsolja a tér geometriáját az abban mozgó bármilyen eredetű anyag energiasűrűségével és nyomásával. Az éter, amennyiben bármilyen kicsiny, de nem nulla energiasűrűséggel és nyomással rendelkező közeg, észlelhető nyomot kell hagyjon a világegyetem nagy objektumainak, a galaxisoknak és a galaxishalmazoknak a mozgásában. De erre semmi nem utal!

Occam híres elvének szellemében a XX. század húszas éveitől kezdve az éter említését egyszerűen kihagyták az elektromágneses jelenségek természetének leírásából.

Az éter eltűnése a fizika szótárából egybeesett a tömegpont, a pontszerű elektromos töltés és a részecskékkel társított platóni ideális geometriai fogalmak korlátlan használhatóságába vetett hit megszűnésével. Ma az összes létező anyagi objektum (így az atomok és kristályok) tulajdonságait egy kiterjedt valószínűségi amplitúdómező társításával kötelező vizsgálni. ⁹

A kvantumelmélet kiterjesztését változó számú elektront, protont, neutront leíró terekre az 1930-as évek elején Dirac, Jordan és Heisenberg végezték el. A kvantumterek kölcsönható elmélete az eltelt nyolcvan év alatt az összes elemi kölcsönhatást nagy pontossággal értelmező természetleírási eljárássá csiszolódott.

A kvantumelmélet új értelmezést hozott a vákuumnak/éternek a klasszikus fizikából néhány évtizeddel korábban kiküszöbölt fogalmára. Minden részecske kvantumterének van egy stabil, részecskéktől mentes (üres) alap állapota. Egy elektron valójában az elektrontér alapállapotának első gerjesztése, hozzá hasonlóan a foton az elektromágneses téré. Az elemi dinamikai kölcsönhatásokban fellépő összes mezőnek (ezek az elektron, a müon, a tau-részecske, a velük társuló neutrínók, továbbá a hatféle kvark és mindezeknek az antirészecskéi, valamint az elemi kölcsönhatásokat közvetítő erőtereknek, a fotonnak, a W- és a Z-bozonoknak, végül pedig a gluonoknak a kvantumai) önálló alapállapota van. Elhárult Arisztotelésznek az üres (részecskementes) tér fogalmával szembeni alapvető kritikája: ez a vákuum nem jellemezhető a tulajdonságok hiányával, ezért értelmes feladat a lehetséges kvantum-alapállapotok kutatása.

A gyakorló részecskefizikus igencsak hétköznapi képet hordoz magában a részecske-, azaz gerjesztésmentes vákuumállapotról. A tér egységnyi térfogatában egy kiválasztott frekvencián a megengedett legalacsonyabb energián annyi harmonikus oszcillátor rezeg, ahány részecskefizikai szabadsági fok van jelen abban a tértartományban. A foton kétféle polarizációs állapotának két független oszcillátor felel meg, hasonlóan két oszcillátorral jellemezhető az elektron két lehetséges spinvetülete okán, de már minden egyes kvarkfajtával annak három színállapota és két sajátperdület-állapota (spinállapota) miatt hat szabadsági fokot kell társítani, a zérus tömegű vektorgluonoknak két polarizációs és nyolc színállapota van, és így tovább.

Az oszcillátorok alapállapoti energiája arányos rezgési frekvenciájukkal, amelyet megszorozva a szabadsági fokok számával, és a különböző részecskék járulékát összeadva, adódik a vákuum energiasűrűsége. Ez a szám annak ellenére nagyon nagy, hogy az egész spinű részecsketerek pozitív alapállapoti energiájával szemben a feles spinűek járuléka negatív.

Sokáig azért nem tulajdonítottak ennek a mennyiségnek különösebb fontosságot, mert az energia nulla szintjének megválasztása önkényes. A részecskefizikai reakciók mérései amúgy is csak a reakciókban keltett (tehát az alapállapot gerjesztésének tekinthető) részecskék energiáját tudják érzékelni, minthogy az alapállapoti energia nem vesz részt az ütközésekben.

Az Univerzum egészét átfogó kozmológiai léptékű mozgás megfigyeléséből a közelmúltban levont következtetések azonban kiélezték az alapállapoti vákuumenergia gravitációs hatásának kérdését. A 2011. évi Nobel-díjjal jutalmazott felfedezés szerint Világegyetemünknek a horizontig belátható része gyorsulva tágul. Az alapállapoti energiasűrűség és a vele együtt járó nyomás járulékának figyelembevétele alkalmas a megfigyelttel azonos jellegű, gyorsuló globális mozgás értelmezésére. A gyorsuló tágulást okozó energiasűrűség és nyomás megmért értéke nullától határozottan különbözik, de az elemi részecskék alapállapoti energiáinak összegzésével kapott értéktől zavarba ejtően sok nagyságrenddel elmarad. További furcsaság, hogy olyan ,,anyagnak” tulajdonítható ez a hatás, amelynek negatív a nyomása.

Felmerül a kérdés: biztos, hogy az alapállapoti energiasűrűségnek van a szokásos anyaghoz hasonló gravitációs hatása? Erre az egyszerű kérdésre egyelőre semmiféle válasz nincs.

A fizikusok többségének álláspontja szerint a vákuum energiájára is érvényes az általános relativitás elve, abban éppen az Einstein által bevezetett (majd elvetett) kozmológiai állandóként jelenik meg (ott a nyomás nagysága abszolút értékben megegyezik az energiasűrűséggel, de előjele ellentétes). A részecskefizikusok többsége a vákuum energiasűrűségének a mérések által jelzett szintre csökkentését a jelenleg ismert elemi mezők alkalmas kiterjesztésétől reméli. Az egész és a feles spinű részecskék alapállapoti energiájának ellentétes előjele lehetőséget ad a két járulék majdnem teljes kioltására, ha a feles spinű és az egész spinű szabadsági fokok száma azonos. Ez a szuperszimmetria alapgondolata.

A gyorsuló tágulás feltérképezésére és értelmezésére irányuló kutatásoknak a NASA prioritást ad összes csillagászati programja között. A szuperszimmetrikus részecskék kísérleti keltése és tulajdonságaik megismerése pedig az LHC ATLAS- és az LHC CMS-kísérletek egyik fő feladata.

Amikor az atomok vagy molekulák közötti átlagos távolság akár a nyomás megnövekedése, akár a hőmérséklet csökkenése okán elegendően kicsi, akkor a gázok alkotórészei folyadékcseppekké állnak össze. Az 1960-as évek elején a szupravezető elektronpárok alkotta kvantumfolyadék mintájára Y. Nambu vizsgálta először kvark-antikvark csapadék (kondenzátum) létezésének lehetőségét. Nambu elméleti elemzése alapján vált érthetővé, hogy a kvark-antikvark kötött állapotú pionok tömege miért sokkal kisebb (körülbelül hétszer, nem pedig csak másfélszer), mint a három kvarkból álló protoné vagy neutroné.

A kvarkok tömege az alapállapotot kitöltő kondenzátumban ugyanis megnő. A proton valójában három megnövekedett tömegű kvark ,,molekulája”. Ugyanakkor a pionokat alkotó kvark-antikvark ,,vegyület” olyan speciális kombináció, amely nem ,,érzi” a kondenzátum létrejöttét! Gerjeszthető-e ez a kondenzátum? Az elemi részecskék táblázatában több jelölt is van a kvark-antikvark kondenzátum rezgési kvantumának szerepére. A kísérleti fizikusok sokáig vitatták, de az utóbbi években egyértelműen megerősítették a $\mathrm{<span\; class="idea"\; data-nb-ref-number="38"\; id="idea38"\; data-nb-words="1"\; data-nb-chars="1">\sigma </span>}$ -részecske létezésének tényét, amelynek tömege nagyjából a proton tömegének kétharmada.

Alig két-három évvel Nambu javaslata után, 1964-ben több szerző is érvelt egy másik hasonló részecskefizikai kondenzátum léte mellett. A javaslat a gyenge kölcsönhatásokat közvetítő erőhatás rövid hatótávú természetét igyekezett megérteni egy olyan elmélet keretében, amely azokat egységben kezeli a hosszú hatótávú elektromágneses kölcsönhatással. Kínálkozott, hogy a gyenge kölcsönhatásokat jellemző méretskálán is létezhet egy kondenzátum, amely úgy változtatja tömegessé a gyenge kölcsönhatást közvetítő (azóta felfedezett) W és Z vektormezőket, hogy a foton erre érzéketlen marad. A legegyszerűbb elméleti javaslat nem az ismert részecskék kölcsönhatásából kialakuló összetett kondenzátumot, hanem egy új, önmagával kölcsönható mezőt és annak részecskekvantumát használja. Ezt a mezőt a sok javaslattevő fizikus egyikéről Higgs-térnek nevezték el. A kondenzátum skálájának megválasztásával nemcsak a gyenge kölcsönhatást közvetítő vektorterek kvantumainak tömegét lehet e mező segítségével értelmezni, de (igaz, további paraméterek célszerű választásával) megérthető az elektron, a müon és a tau-részecske, azaz a leptonok tömege is. Járulékot ad ez a mechanizmus a kvarkok tömegéhez is. Ez a járulék elhanyagolható a protont meg a neutront alkotó kvarkok esetében a Nambu-féle kvark-antikvark csapadék tömeget alkotó hatásához képest, de éppen szükséges a pionok tömegének a tapasztalattal egyező kiszámításához, valamint annak megértéséhez, hogy miért nagyobb a neutron tömege a protonénál. ¹⁰

A Higgs-mezőt hozzávéve a kísérletileg ismert elemi részecskék táblázatához, az elmúlt 40 évben kiépült az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások egységes Standard Modellje. A vákuum Higgs-kondenzátumának létére közvetlen bizonyítékot a kondenzátum rezgéshullámai kvantumának a felfedezése nyújthat. Erre a felfedezésre 2012. július 4-én a CERN-ben tartott szemináriumon igen erős érvekkel megtámasztott bejelentés történt. ¹¹ Azt a további vizsgálatok tisztázhatják, hogy a Higgs-kvantum elemi természetű-e, vagy a kondenzált anyagok fizikája és a részecskefizika korábbi példáihoz hasonlóan összetett gerjesztésről van szó.

A legalacsonyabb energiájú állapotot kitöltő anyagcseppek megrezgetésénél és a rezgési kvantumok észlelésénél is ambiciózusabb törekvéssel igyekeznek a nagyenergiás kísérleti fizika kutatói egy kis térfogatban olyan energiasűrűséget létrehozni, amely lokálisan elpárologtatja a kvark-antikvark csapadékot, azaz megváltoztatja az alapállapotot. Az ehhez szükséges energiamennyiség sok nagyságrenddel kisebb a Higgs-kondenzátum megszüntetéséhez szükségesnél. Egy évtizede a brookhaveni RHIC nehézion-ütközéseiben már észleltek olyan jeleket, amelyek a kvark-antikvark ,,pocsolya” elpárolgásakor megváltozó alapállapotban az elemi részecskék tulajdonságainak várt megváltozását mutatták. Ezeket a kísérleteket most még nagyobb energiakoncentrációval folytatják a CERN LHC berendezésein. Miután a Világegyetem hűlése során ez a folyamat valaha ellenkező irányban lezajlott, e kísérleteket a Forró Univerzum földi rekonstruálásaként is hirdetik.

Az elmondottakból remélhetőleg kitűnik, hogy a részecskefizikai alapállapot felderített és elvárt tulajdonságaiban egyre jobban hasonlít a kondenzált anyagokhoz. A kondenzált anyagok fizikájában sikeres gondolatokra épülő kísérleti program a CERN-ben 2012-ben döntőnek tűnő áttörést ért el. Az egyetlen igazán ellenálló kérdéskör az alapállapot gravitációs hatásainak feltárása, amelyhez egyidejűleg szükségesek az extragalaktikus csillagászat megfigyelései és a CERN LHC extrém nagyenergiás kísérletei.