Czym jest próżnia?

Pytanie

Pyta Kamil

Jak zdefiniować próżnię? Skąd się wzięła i do czego jest potrzebna?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Przestrzeń pomiędzy planetami, gwiazdami i/lub galaktykami często nazywamy próżnią kosmiczną. Nie jest to jednak ściśle próżnia, gdyż wypełniona jest ona promieniowaniem różnego rodzaju, m.in. światłem gwiazd i reliktowym promieniowaniem tła.

Jeśli z jakiegoś naczynia wypompujemy kompletnie powietrze, to często mówimy, że w środku jest próżnia. Nie jest to jednak ściśle próżnia, gdyż wypompowanie powietrza nigdy nie jest kompletne, a poza tym w środku są np. fotony promieniowania cieplnego ze ścianek naczynia.

Jak więc zdefiniować próżnię ściśle? Praktycznie wszystkie opisywane przez nas układy kwantowe mają tzw. stan podstawowy, czyli stan o najniższej energii. W kwantowej teorii pola taki stan nazywamy próżnią. To jest definicja próżni. Samo słowo „próżnia” było używane od czasów antycznych na określenie obszaru, w którym nie ma żadnej cząstki. Ta definicja nie byłaby dobra w kwantowej teorii pola, w której próżnia jest definiowana najpierw, a cząstka dopiero potem, jako pewien rodzaj wzbudzenia w stosunku do stanu próżni.

Powyżej podana definicja próżni ma zastosowanie w teoriach pola, które nie uwzględniają grawitacji. Po uwzględnieniu grawitacji i rozszerzania się Wszechświata samo pojęcie energii całkowitej nie jest dobrze określone na poziomie klasycznym. Nadal możemy korzystać z pojęcia „próżnia”, ale uwzględniając fakt, że jest ono pojęciem względnym, zależnym od nieco arbitralnego podziału opisywanego pola grawitacyjnego na tło klasyczne i wzbudzenia kwantowe.

Jeśli rozważymy ograniczony układ fizyczny, i nazwiemy jego stan podstawowy próżnią, to pytanie „skąd się wzięła i do czego jest potrzebna?” jest równoważne pytaniu „do czego jest potrzebny ten układ, skąd się wziął, i dlaczego ma stan podstawowy?”. Odpowiedzi na takie pytanie nie da się podać bez sprecyzowania, jaki układ mamy na myśli. Jeśli naszym układem jest cały Wszechświat, to zauważmy, że nie jest on w stanie próżni – jest on wypełniony materią złożoną z cząstek różnych rodzajów, a także promieniowaniem.