Największe zagadki fizyki [cz. 3] 

Rok 1934, zacieniony pokój Uniwersytetu Kolońskiego. Naukowcy próbują ulepszyć proces wywoływania klisz negatywowych i pracują nad przyspieszaniem procesów chemicznych. Przez pojemnik z roztworem przebiega fala ultradźwięków. Po wywołaniu zdjęć na fotografiach widoczne są dziwne niebieskie plamki. Naukowcy nie wiedzą jeszcze, że odkryli jedną z najbardziej frapujących zagadek współczesnej fizyki.

Sonoluminescencja

Efekt jest najlepiej widoczny (choć nie gołym okiem), gdy działaniu ultradźwięków poddamy wodę gazowaną, choć badanie jest wtedy bardzo utrudnione i nikt tego typu eksperymentów nie wykonuje. To właśnie malutkie bąbelki gazu emitują rozbłysk, gdy przepłynie przez nie fala akustyczna. Pod jej wpływem zapadają się w sobie i "iskrzą" wyładowaniem elektrycznym.

Dopiero w 1989 r. udało się wywołać to zjawisko na pojedynczej bańce gazu poprzez wytworzenie fali stojącej w zamkniętym naczyniu. Od tamtego czasu minęło wiele lat, a mimo to wciąż nie wiadomo, jakie zasady rządzą tym przedziwnym fenomenem.

Stabilne środowisko pojedynczego bąbelka pozwoliło na dokładniejsze badania zjawiska. Ku zdumieniu naukowców okazało się, że temperatura wewnątrz zapadniętej bańki jest tak wysoka, że mogłaby topić stal (niektórzy twierdzą, że jest to prawie milion stopni Celsjusza). Liczba ta według innych badaczy jest mocno zawyżona. Eksperymenty na University of Illinois wskazują (niejednoznacznie), że jest to około 20 000 st. C. Zjawisko było na tyle szokujące, że armia amerykańska prowadziła badania nad sonoluminescencją wywoływaną przez śruby napędowe statków i łodzi podwodnych (podczas kawitacji).

Wspomniane wcześniej eksperymenty na pojedynczej bańce gazu pozwalają utrzymać proces w stanie stabilnym i ciągłym. Wtedy bąbel zapada się i rozszerza cyklicznie, emitując za każdym razem rozbłysk. Rozbłyski są niezwykle krótkie - od 35 do kilkuset pikosekund. Bańka zapada się do rozmiarów około 1 mikrometra, wariacje zależą od płynu i gazu w pęcherzyku. W dość naturalny sposób można zwiększyć intensywność rozbłysków poprzez dodanie do gazu domieszki helu, argonu lub ksenonu. Wykrycie dokładnej temperatury w bąbelku jest bardzo trudne ze względu na otaczający płyn, który zakłóca odczyt długości fali promieniowania emitowanego przez rozbłysk.

Chemicy David J. Flannigan i Kenneth S. Suslick opublikowali artykuł w "Nature", w którym udowodnili, że w centrum każdego zapadniętego bąbla znajduje się niezwykle gorący rdzeń z plazmy. Na tej podstawie stwierdzili, że temperatura musi wynosić co najmniej 20 000 st. C.

Niezliczone próby wyjaśnienia fenomenu spełzły na niczym. Proponowano wyładowania koronowe, nieklasyczne źródło światła (mechanika kwantowa), zjawisko tunelowe, tryboluminescencję (kolejna zagadka fizyki). Niestety, żadna z tych teorii nie pasuje do zjawiska.

W 2002 r. pojawiło się 60-stronicowe opracowanie, które w dość rozsądny sposób stara się wyjaśnić fenomen. Podczas zapadania się bąbla wewnątrz tworzy się duże ciśnienie i wzrasta temperatura, co powoduje częściowe zjonizowanie gazu. Elektrony ze zjonizowanych atomów reagują z atomami neutralnymi, co wywołuje emisję promieniowania cieplnego (rozbłysk). Ciśnienie następnie spada, a elektrony ponownie łączą się z atomami (koniec rozbłysku). Ciągle jednak pozostaje problem kolosalnych temperatur, które w opracowaniu pominięto.

Rensselaer Polytechnic Institute ogłosił w 2006 r., że udało się wywołać fuzję nuklearną za pomocą zjawiska sonoluminescencji. Oznacza to, że w bąbelku nastała temperatura rzędu 1 000 000 st. C!

Całkiem niedawno pojawiła się kolejna teoria, która bardzo szybko zdobyła popularność. Julian Schwinger zasugerował, że fenomen powstaje przez stan próżni w bąbelku (proces bardzo podobny do promieniowania Hawkinga). Ta kwantowa teoria opiera się na tezie, że w próżni istnieją wirtualne cząstki, w tym fotony. Gwałtowne zmiany w bańce gazu powodują, że te wirtualne fotony przechodzą w cząstki prawdziwe (efekt Unruha lub efekt Casimira) i dają rozbłysk tuż po narodzinach. Gdyby była to prawda, to jesteśmy świadkami pierwszego obserwowalnego kwantowego promieniowania próżni!

Parafrazując popularne powiedzenie: gdzie chłop nie może, tam kwantową fizykę pośle. Czy kiedykolwiek dowiemy się, czym jest sonoluminescencja? Boje się, że przyłożenie do niej kwantu zrodzi tylko więcej pytań niż odpowiedzi...