Mało ostatnio piszę i wypadałoby się poprawić – ale co zrobić, kiedy brak weny i pustka w głowie?

Hmm, pustka? No właśnie, to jest myśl: napiszmy coś o pustce, czyli o próżni.

W codziennym życiu niewiele mamy do czynienia z próżnią: dla większości z nas jedynym zauważalnym przejawem jej istnienia jest charakterystyczne pyknięcie przy otwieraniu hermetycznie zamkniętego słoika czy butelki. Żyjemy otoczeni materią tak ściśle, że przez wieki filozofowie i uczeni wątpili, czy natura w ogóle dopuszcza możliwość zaistnienia próżni. Dopiero w 1643 dyskusja na ten temat została rozstrzygnięta przez Torricellego, który sztucznie wytworzył próżnię w szklanym naczyniu.

Nasze otoczenie to jednak wyjątek – wszechświat składa się praktycznie wyłącznie z próżni, przy czym określenie „praktycznie wyłącznie” to nadal bardzo daleko idący eufemizm. Materia, jaką znamy, jest zjawiskiem niewyobrażalnie wręcz rzadkim. Jak bardzo?

Popatrzmy na liczby: objętość obserwowalnego wszechświata wynosi 4 * 10⁸⁰ metrów sześciennych, natomiast łączną masę całej obecnej w nim materii szacuje się na 1,5 * 10⁵³ kilogramów. W zapisie potęgowym różnica nie wygląda oszałamiająco – dopóki nie zdamy sobie sprawy, że oznacza to średnią gęstość na poziomie niespełna pół kilograma na 10²⁷ metrów sześciennych, czyli sześcian o boku – bagatela – miliona kilometrów. Niewiele mniej niż objętość Słońca, które waży 2 * 10³⁰ kilogramów…

Ale wiadomo, jak to bywa ze średnią: Kulczyk zarabia sto milionów rocznie, a ja nic, więc średnio obaj mamy po 50 milionów i tak dalej. Żeby zatem przedstawić rzecz w sposób bardziej przemawiający do wyobraźni, spróbujmy policzyć, ile miejsca zajęłaby materia z całego wszechświata, gdyby ją zebrać do kupy.

Oczywiście wszystko zależy od tego, jak gęsto ją upakujemy. Zacznijmy ostrożnie, od gęstości wody: 1g/cm³, albo kilogram na litr, jak kto woli. Przy takiej gęstości wspomniane 1,5 * 10⁵³ kilogramów zajęłoby, jak nietrudno zauważyć, 1,5 * 10⁵³ litrów, czyli sześcian o boku mniej więcej 5 * 10¹⁶ metrów, czyli 50 bilionów kilometrów, czyli nieco ponad pięć lat świetlnych. Całkiem spora kostka, która sięgnęłaby od nas do Alfa Centauri z dużym zapasem – ale śmiechu warty pyłek na tle wszechświata, który liczy sobie 93 miliardy lat świetlnych średnicy.

A przecież woda nie jest nawet specjalnie gęsta. Osm, najgęstsza dostępna na Ziemi substancja, może się pochwalić wagą ponad 22 kg na litr – przy takiej gęstości nasza kosmiczna kostka miałaby już bok o długości tylko 18 bilionów kilometrów, czyli niecałe dwa lata świetlne.

Skąd właściwie bierze się ta różnica w gęstości substancji? Ano stąd, że atomy, wbrew powszechnemu mniemaniu rzadko kiedy stykają się ze sobą, o ile nie tworzą wiązania chemicznego – siły odpychające między nimi są zbyt silne, by na to pozwolić w znanych nam warunkach. Między atomami lub molekułami, nawet w gęstych substancjach, pozostaje zatem jeszcze sporo wolnej przestrzeni. Co więcej, same atomy też składają się głównie z próżni, więc mamy jeszcze się czego pozbywać.

Przy gigantycznej grawitacji siły utrzymujące elektrony na orbitach zostają pokonane, dzięki czemu można upakować materię o wiele rzędów wielkości ciaśniej niż przy użyciu „pełnych” atomów. Tak właśnie dzieje się w gwiazdach neutronowych – materia w ich wnętrzu, złożona z upakowanych koło siebie neutronów, może osiągnąć gęstość nawet 10¹⁸ kilogramów na metr sześcienny. Przy takiej gęstości nasz kosmiczny sześcian miałby bok o długości zaledwie 5 * 10¹¹ metrów, czyli pół miliarda kilometrów. Mniej niż odległość między Słońcem a Jowiszem. Znamy dziesiątki gwiazd o większych rozmiarach!

A i to jeszcze ciągle nie koniec. Neutron bowiem także jest praktycznie pusty w środku – mając średnicę 10^-15 metra, składa się z trzech kwarków, których dokładnego rozmiaru nie znamy, ale wiadomo, że jest to nie więcej niż 10^-19 metra – dobre dziesięć tysięcy razy mniej. Gdyby zatem ścisnąć materię jeszcze bardziej, przełamując nawet siłę odpychania pomiędzy kwarkami, zeszlibyśmy do 7,5 * 10⁷ metrów, czyli 75 tysięcy kilometrów. Mniej niż ćwierć dystansu między Ziemią i Księżycem. Znacznie mniej niż średnica Jowisza.

W takiej to drobnej (w kosmicznej skali) objętości dałoby się upchnąć wszystkie ciała niebieskie z całego wszechświata. Wszystkie gwiazdy, planety, mgławice, czarne dziury i co tylko możemy sobie wyobrazić. Wszystko to, odpowiednio mocno ściśnięte, zajmowałoby mniej miejsca niż Jowisz. Ba, nawet mniej niż Saturn. A przecież nie można wykluczyć, że i kwarki są zbudowane z jakichś jeszcze mniejszych cząstek, które odkryje dopiero jakiś Jeszcze Większy Zderzacz Hadronów…

Ale nawet poprzestając na tym co już mamy, otrzymujemy objętość nieco ponad 4 * 10²³ metrów sześciennych, czyli 1/10⁵⁷ objętości obserwowalnego wszechświata. Co oznacza, że próżnia stanowi 99,999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 999 9% wszechświata.

Co najmniej.

Jesteśmy dużo bardziej wyjątkowi, niż by się mogło wydawać – trafienie we wszechświecie na jakąkolwiek materię jest znacznie mniej prawdopodobne niż trafienie szóstki z totka… kilka razy z rzędu.

Z drugiej jednak strony, próżnia też wcale nie jest taka całkiem pusta. Po pierwsze, w powyższych wyliczeniach świadomie pominąłem ciemną materię, której jest prawdopodobnie kilka razy więcej niż tej zwykłej – ale niewiele o niej wiemy, a już zupełnie nic o jej strukturze i gęstości. Po drugie, w próżni rozchodzą się wszelkie oddziaływania grawitacyjne czy elektromagnetyczne – a jak wiemy dzięki Einsteinowi, energia i materia są sobie równoważne, więc może i energię należałoby tu jakoś doliczyć. Po trzecie, nawet gdyby pozbyć się i tych oddziaływań, nadal pozostaną jeszcze fluktuacje kwantowe, których wszechobecność każe zadać sobie pytanie, czy próżnia w ogóle jest „tak naprawdę” próżnią, czy może jednak składa się z czegoś jeszcze.

Ale to już zupełnie, zupełnie inna historia.