MEDAL SMOLUCHOWSKIEGO
Natura boi się próżni"
Andrzej Białas
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
Nature abhors a vacuum
Szanowni Państwo, będę mówił o próżni, czyli po w jakikolwiek sposób wyróżniony. Wynika stąd, że do-
prostu o niczym. Może to brzmi nie całkiem poważ- wolne ciało będące w spoczynku, a otoczone próżnią,
nie, ale jest to tzw. najprawdziwsza prawda (czyli po nie może się poruszyć: ruch bowiem musi się odbywać
prostu p r a w d a, wg klasyfikacji ks. prof. Tischnera): w jakimś kierunku, a to łamie zasadę idealnej syme-
próżnia to przecież właśnie takie miejsce, gdzie nie ma trii. Warto może wspomnieć, że Arystoteles zauważył
nic  dokładnie nic! W tym sensie fizycy (a wcześniej jeszcze inną konsekwencję symetrii: stwierdził miano-
filozofowie) od wieków rozprawiali o niczym i  jak do- wicie, że ciało w próżni raz wprawione w ruch nie mo-
brze wiemy choćby z codziennych obserwacji  nie byli głoby się nigdy zatrzymać. Powód jest prosty: ponie-
i nie są w tym zajęciu osamotnieni. W przeciwieństwie waż wszystkie punkty w próżni są równoważne, nie da
jednak do deliberacji kawiarnianych (i nie tylko kawiar- się wybrać punktu, w którym zatrzymanie miałoby na-
nianych) polityków, fizyczna dyskusja o niczym pro- stąpić. Konkluzja jest oczywista: ponieważ codzienne
wadzi do bardzo interesujących i ważnych wniosków, obserwacje pokazują, że 1) ciała się poruszają, 2) po-
o czym postaram się Szanownych Państwa przekonać. ruszające ciała zawsze w końcu się zatrzymują, próżnia
Zagadnienie istnienia lub nieistnienia próżni zo- nie istnieje.
stało postawione i przedyskutowane (jak większość Historia ta nasuwa zaraz obrazoburczy wnio-
ważnych kwestii, z którymi borykamy się do dziś) już sek, że czasem lepiej zignorować wyniki eksperymentu
w starożytności. Było ono konsekwencją sporu między (choć może lepiej nie robić z tego zasady postępowa-
zwolennikami atomistycznej i ciągłej budowy materii. nia)1. Ale trudno nie zgodzić się z podstawową myślą
A
atwo to zrozumieć. Jeżeli bowiem materia składa się wielkiego filozofa: p r z e s t r z e ń i d e a l n i e p u s t a
z atomów, to pomiędzy nimi nie ma nic, czyli musi być m u s i b y ć i d e a l n i e s y m e t r y c z n a. Dzisiaj mo-
próżnia. Jeżeli natomiast materia ma budowę ciągłą, żemy dodać: względem wszystkich parametrów, za po-
to wypełnia ona całą przestrzeń, a więc próżnia nie mocą których chcielibyśmy ją opisać.
istnieje. Teza o nieistnieniu próżni została spopularyzo-
Najbardziej kompletne podsumowanie tej dysku- wana w wiekach średnich. Wtedy również pojawiło się
słynne sformułowanie, że  natura nie znosi próżni .
sji znajdujemy (jakżeby inaczej) u Arystotelesa. Był
on zdecydowanym zwolennikiem ciągłej budowy ma- Nie wiadomo na pewno, kto pierwszy użył tego sfor-
mułowania, ale jest ono powszechnie akceptowane już
terii i w związku z tym przedstawił kilka argumentów
przeciwko istnieniu próżni. Większość z nich ma cha- w pismach uczonych scholastyków XIII w., którzy roz-
rakter rozważań filozoficznych, np.  czy nic może ist- winęli argumenty Arystotelesa i dodali nowe.
nieć lub  czy nic może mieć jakąś objętość . Muszę Powstanie nowoczesnej fizyki zdecydowanie od-
uczciwie przyznać, że te rozważania były dla mnie za mieniło poglądy na ten temat. Torricelli, Galileusz, von
trudne i dlatego nie potrafię wiele na ten temat powie- Guericke, a przede wszystkim Newton śmiało posługi-
dzieć. Natomiast zupełnie zachwycił mnie jeden argu- wali się pojęciem próżni. Tę historię oczywiście wszy-
ment, odwołujący się bezpośrednio do rzeczywistości. scy bardzo dobrze znamy. Tak było aż do czasów naj-
Jest to argument o niemożności ruchu. Arystoteles za- nowszych, jeżeli nie liczyć krótkiego epizodu na prze-
uważył mianowicie, że próżnia  jako miejsce, w któ- łomie XIX i XX wieku, gdy powstała i szybko zgasła
rym nie ma nic  musi być idealnie symetryczna, czyli hipoteza eteru. W dodatku, wraz z utrwaleniem się
żaden punkt ani żaden kierunek nie może być w niej w naszym stuleciu atomistycznego poglądu na struk-
"
Na podstawie wykładu wygłoszonego podczas XXXVII Zjazdu Fizyków Polskich w Gdańsku (wrzesień 2003)
z okazji otrzymania Medalu Mariana Smoluchowskiego. Pierwotna wersja wykładu została opublikowana w Wiedzy
i Życiu, nr 12/1993, s. 28.
1
Widać stąd również, jak trudne musiało być przyjęcie newtonowskiego prawa bezwładności, skoro myśl o nim ma
tak długą historię.
POST
PY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 3 ROK 2004 101
A. Białas  Natura boi się próżni
turę materii, rola próżni jeszcze wzrosła: próżnia jest pują w przestrzeni kosmicznej, a także zostały wytwo-
równie potrzebna atomistom współczesnym, jak była rzone w laboratoriach). Są one pogrupowane w pary
potrzebna Demokrytowi z Abdery 25 wieków temu. i w trójki. Wewnątrz każdej pary i każdej trójki cząstki
Prosty przykład: w wodzie materia zajmuje objętość są zupełnie równoważne. Oznacza to, że w ramach
ok. biliona milionów razy mniejszą niż objętość wody jednego, jak mówimy,  multipletu można swobod-
 reszta to próżnia! W rezultacie pojęcie próżni zostało nie zamieniać cząstki między sobą. W konsekwen-
zaakceptowane przez naukę oraz technikę i dzięki temu cji, równania opisujące zachowanie się takich ukła-
weszło do codziennego życia. dów różnych, ale równoważnych cząstek muszą być sy-
metryczne względem dowolnej zamiany równoważnych
W tej sytuacji sformułowanie zawarte w tytule
cząstek. Okazuje się, że taka reguła symetrii w połą-
przestało mieć jakikolwiek sens fizyczny i zostało re-
czeniu z podstawowymi zasadami mechaniki kwanto-
legowane do słownika sloganów politycznych. Problem
wej ma dwie niesłychanie ważne konsekwencje:
wydawał się więc definitywnie rozstrzygnięty i nie wart
dalszego zainteresowania. Jednak przed kilkudziesięciu 1) cząstki podlegające tej symetrii muszą ze sobą
laty znowu powrócił i znowu jest tematem nie tylko po- oddziaływać  o d d z i a ł y w a n i e j e s t k o n s e k -
ważnych debat, ale i niezwykle kosztownych badań eks- w e n c j ą s y m e t r i i;
perymentalnych. To właśnie chciałbym Państwu opi-
2) równania opisujące oddziaływanie pomiędzy
sać.
cząstkami są wyznaczone jednoznacznie (ich forma za-
Nikt oczywiście nie kwestionuje istnienia próżni leży jedynie od liczby wymienianych obiektów), czyli
 technicznej , z którą mamy do czynienia w wielu s y m e t r i a n a r z u c a k s z t a ł t ś w i a t a.
urządzeniach. Próżnia techniczna to jednak niezupeł-
Trudno nie zgodzić się ze stwierdzeniem, że to
nie to samo, co  miejsce, w którym nic nie ma : litr
nadzwyczajne odkrycie zasługuje na miano n o w e j
gazu pod ciśnieniem 10-12 atmosfery zawiera ciągle
f u n d a m e n t a l n e j z a s a d y p r z y r o d y. Pozo-
ok. 25 bilionów cząsteczek.
staje oczywiście kwestią dyskusji, czy odkryliśmy już
Aby wyjaśnić, na czym polega problem, zacznijmy wszystkie symetrie rządzące naszym światem (tj. czy
od tego, że w ciągu ostatniego półwiecza fizyka odnio- odkryliśmy już wszystkie oddziaływania). Wiele wska-
sła oszałamiające sukcesy w poszukiwaniu i identyfi- zuje na to, że nie. Dużo wysiłku poświęca się obecnie
kacji elementów budowy świata materialnego. Bo pro- na zbadanie tego ważnego zagadnienia.
szę tylko pomyśleć: wiemy już w tej chwili, że wszyst-
To wielkie i fascynujące odkrycie  rządów syme-
kie obiekty na Ziemi są zbudowane z zaledwie trzech
trii  nawiązujące jakby do starożytnych idei platoń-
rodzajów cząstek elementarnych. Są to  rzecz jasna
skich  ma jednak istotny mankament. Okazuje się,
 konstrukcje skomplikowane, ale musimy się chyba
że taka idealna symetria implikuje równocześnie, że
zgodzić, że zredukowanie nieskończonej różnorodności
wszystkie cząstki muszą mieć masę równą zeru, co jest
świata do kilku elementów jest nie byle jakim osiągnię-
w rażącej niezgodności z doświadczeniem. Krótko mó-
ciem. Ponadto, wszystkie znane nam w przyrodzie siły
wiąc, natura odrzuca tę idealną symetrię. Można stąd
można zredukować do czterech sił (oddziaływań) ele-
wyciągnąć wniosek, że cała konstrukcja jest fałszywa
mentarnych. I znowu, gdy pomyślimy o różnorodności
i że myśl o symetrii jako podstawie konstrukcji świata
sił występujących wokół nas  nie mówiąc już o zja-
należy po prostu odrzucić. Ale konstrukcja ta jest tak
wiskach występujących w laboratoriach i w kosmosie
piękna, a w dodatku nikt dotąd nie potrafił podać żad-
 musimy przyznać, że sprowadzenie ich do zaledwie
nej innej, że odrzucenie jej wydaje się gestem naprawdę
czterech różnych oddziaływań między cząstkami ele-
rozpaczliwym3.
mentarnymi zakrawa niemal na cud.
Aby tego uniknąć, należało teorię pozbawić syme-
Ale na tym nie koniec; odkryto, że te s i ł y e l e -
trii, zachowując równocześnie symetrię jej równań. In-
m e n t a r n e w y n i k a j ą z f u n d a m e n t a l n y c h
nymi słowy, należało dostosować idealnie symetryczną
z a s a d s y m e t r i i. To naprawdę niebywałe: równania
teorię do rzeczywistości, która ewidentnie tej syme-
opisujące nasz świat są konsekwencją prostych reguł
trii nie akceptuje. Wyjście z tego dylematu okazało
symetrii. Ze względu na doniosłość tego odkrycia opi-
się możliwe: uważamy obecnie, że symetria praw fi-
szemy je nieco dokładniej. Proszę nie wpadać w panikę:
zyki rządzących cząstkami elementarnymi jest zbu-
będę mówił prawdę i tylko prawdę, ale na szczęście nie
rzona przez samą przestrzeń, w której te prawa dzia-
całą2. . .
łają, czyli przez przestrzeń, w której zanurzony jest
Istnieje kilka rodzajów cząstek elementarnych świat. Oczywiście oznacza to, że sama  pusta prze-
(oprócz tych z których składa się Ziemia, inne wystę- strzeń, w której istniejemy, jest niesymetryczna. To
2
Pierwsze ograniczenie: w tym wykładzie nie będę się zajmował siłami grawitacji. Przede wszystkim dlatego, że ich
natura nie jest jeszcze do końca wyjaśniona.
3
Warto może w tym miejscu przypomnieć znaną anegdotę o rozmowie Einsteina z Bohrem. Pewnego ranka Einstein
mówi:  Niels, wczoraj wieczorem wpadłem na pomysł niezwykle pięknej teorii. Była tak piękna, że właściwie nie mogłem
spać całą noc. Niestety, dziś rano wyliczyłem, że nie zgadza się ona z doświadczeniem.  Na to Bohr:  Drogi Albercie,
jeżeli ta Twoja teoria nie zgadza się z doświadczeniem, to może ona nie była aż tak piękna. . .
102 POST
PY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 3 ROK 2004
A. Białas  Natura boi się próżni
proste stwierdzenie  matematycznie równoważne zja- lem Higgsa cząstki uzyskują nieznikające masy, co li-
wiskom powszechnie znanym z teorii fazy skondenso- kwiduje niezgodność teorii z doświadczeniem. Jeżeli
wanej  było jednak w tym przypadku bardzo trudne jednak pole Higgsa faktycznie istnieje, to powinniśmy
do zaakceptowania, bo przecież już od czasów Ary- móc zaobserwować i zbadać własności jego kwantów,
stotelesa wiemy, że pusta przestrzeń musi być syme- czyli cząstek Higgsa. I to jest właśnie głównym celem
tryczna względem wszystkich możliwych transforma- przygotowywanych obecnie eksperymentów w dziedzi-
cji. Skąd więc może tam wziąć się asymetria? Od- nie wysokich energii: po to buduje się w Genewie nowy,
powiedz
może być tylko jedna: widocznie przestrzeń, ogromny akcelerator.
w której żyjemy (i w której działają prawa fizyki),
Znaczenie tych badań dla zrozumienia świata bę-
nie jest pusta, a więc  prawdziwa próżnia nie ist-
dzie ogromne. Nie chodzi bowiem o odkrycie  jeszcze
nieje. Wracamy do początków: natura faktycznie boi
jednej cząstki . Chodzi o odkrycie najbardziej fun-
się próżni.
damentalnej cząstki, decydującej o charakterze prze-
Jeszcze raz krótko podsumujmy ten dość (nie-
strzeni, w której zanurzony jest świat. Zauważmy po-
stety) skomplikowany wywód. Współczesna fizyka
nadto, że poważne potraktowanie wykresu na rysunku
mówi nam, że natura odrzuca idealną symetrię praw
oznacza, że przestrzeń idealnie pusta (opisana punk-
przyrody poprzez odrzucenie próżni. Dodać wypada,
tem h1 = h2 = 0) zawiera ogromne ilości energii, które
że hipoteza ta została potwierdzona w wielu niesłycha-
wyzwalają się w czasie jej zamiany na  próżnię fi-
nie precyzyjnych eksperymentach i w związku z tym
zyczną. Być może tego typu energia była kiedyś główną
jest powszechnie akceptowana.
 siłą napędową rozwoju Wszechświata, a może nawet
Rzecz jasna, dla fizyka to nie koniec, lecz raczej
 powodem jego powstania. Trudno się dziwić, że do-
początek problemu. Narzucają się bowiem dwa dal-
kładne zbadanie procesu łamania symetrii jest oczeki-
sze pytania: z jakiego powodu przestrzeń samorzutnie
wane z dużą niecierpliwością. Szczególnie chcielibyśmy
czymś się wypełnia? I czym się wypełnia?
wiedzieć, czy pole Higgsa jest polem elementarnym,
Wydaje nam się, że znamy odpowiedz
na pierw-
czy raczej stanem związanym jakichś innych pól, któ-
sze pytanie. Wynika ona z ogólnych praw fizyki, które
rych własności nie potrafimy dzisiaj nawet sformuło-
mówią, że każdy układ dąży do osiągnięcia stanu
wać. Dalszy rozwój fizyki cząstek i kosmologii zależy
o najmniejszej energii. Widocznie więc dokładnie pusta
w istotny sposób od odpowiedzi na to pytanie.
przestrzeń ( teoretyczna próżnia) ma większą ener-
gię niż pozornie pusta przestrzeń ( fizyczna próżnia),
w której istnieje świat. W rezultacie prawdziwa, sy-
metryczna próżnia jest niestabilna i musi zamienić się
w niesymetryczną próżnię pozorną, którą obserwujemy
w naszych doświadczeniach.
Aby zilustrować, jak to jest możliwe, rozważmy
hipotetyczny przykład dwu pól h1 oraz h2, dla któ-
rych wykres energii oddziaływania jest przedstawiony
na rysunku. Jak widać, układ ten jest zupełnie syme-
tryczny ze względu na obrót dokoła osi pionowej, czyli
np. względem wzajemnej zamiany pól h1 oraz h2. Wi-
dać również, że najmniejszą energię mamy nie w sy-
metrycznym punkcie h1 = h2 = 0 (czyli tam, gdzie nie
ma pola), tylko w którymkolwiek z punktów na dnie.
Wobec tego układ zajmie pozycję w jednym z tych
punktów, gdzie oczywiście mamy różne od zera albo
Podsumowując, powtórzmy jeszcze raz najważ-
pole h1, albo h2, albo oba. Zauważmy jednak, że stan
niejszy wniosek: współczesna fizyka mówi, że konstruk-
ten nie jest symetryczny: istotnie, pod wpływem ob-
cja świata opiera się na sprzeczności między idealnie
rotu dookoła osi pionowej zmienia się on w inny stan
symetrycznymi prawami teorii a naturą, która tej sy-
(oczywiście o tej samej, najmniejszej energii). Jest to
metrii nie akceptuje i łamie ją  spontanicznie , wypeł-
właśnie szukany przez nas mechanizm łamania syme-
niając całą przestrzeń tajemniczym polem Higgsa.
trii: otrzymaliśmy istotnie  próżnię asymetryczną, ale
nie jest ona pusta (bo oba pola h1 oraz h2 nie znikają), Czy to już ostatnie słowo fizyki? Tego nie wiemy.
czyli nie jest próżnią w pełnym znaczeniu tego słowa. Można jednak bronić poglądu, że cała ta konstruk-
Sądzimy obecnie, że opisany tu mechanizm jest cja jest nieco sztuczna i niepokojąco przypomina hipo-
faktycznie realizowany w przyrodzie. Jeżeli to prawda, tezę eteru, po której nie zostało nawet śladu. To mało
to musi istnieć owo hipotetyczne pole h (zwane polem prawdopodobne, ale faktycznie  gdyby pola Higgsa
Higgsa, od nazwiska fizyka, który ten mechanizm za- nie znaleziono, obecna teoria świata musiałaby zostać
proponował), wypełniające całą przestrzeń i łamiące poddana zasadniczej rewizji. A tytuł wykładu o próżni
jej symetrię. I właśnie poprzez oddziaływanie z po- można będzie wówczas zaczerpnąć z Szekspira.
POST
PY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 3 ROK 2004 103