Ühel heal päeval jäävad kuivale kõik naftat pumpavad puurtornid, ja nii kivisüsi kui ka meie ühine lootus põlevkivi saavad lihtsalt otsa. Kuidas siis hakkama saada? Jah, kindlasti aitab meid tulevikus vesinikule tuginev energeetika, aitavad ehk ka kohe-kohe valmivad uued termotuumareaktorid, päikesepatareid ja tuulegeneraatorid, kütuseelemendid ning hüdroelektrijaamad, kuid kas nendest kõigist ikka piisab üha kasvavate vajaduste rahuldamiseks? Samas väidab hulk teadlasi, et muretsemiseks pole mingit alust, sest me lausa ujume energias, millest piisaks inimkonnale tema kogu kujuteldava eksistentsi lõpuni. Mis energia see on? Ja miks sellest enne midagi kuulda pole olnud?

   Kvantmaailm ja nullenergia

   Energia, mis jätkuvalt kirgi üles kütab, on saanud endale nime nullenergia (inglise keeles Zero Point Energy ehk ZPE). Nullenergia tuleneb kvantfüüsikast ning selles pole esmapilgul midagi üleloomulikku. Klassikalises füüsikas võime mingi imetillukese osakese energeetilise miinimumi leida üsna lihtsalt. Selleks tuleks tema kiirus võrdsustada nulliga ning asetada kohta, kus osakese potentsiaalne energia oleks minimaalne. Kvantfüüsikas me aga nii teha ei saa, sest vastasel juhul oleksid nii osakese kiirus kui ka tema asukoht ruumis kindlalt määratud. See aga läheks vastuollu nn. Heisenbergi määramatuse printsiibiga, mille kohaselt osakese kiiruse ja tema asukoha määramisel tuleb arvestada teatud täpsusega. Mida täpsemini me osakese kiirust määrame, seda ebatäpsemaks muutub tema asukoht ja vastupidi. Siit järeldub, et ka absoluutsel nulltemperatuuril 0 K ehk -273,16 Celsiuse kraadi ei ole kvantfüüsika printsiipidest lähtudes võimalik osakese energiat viia nullini ning ta jääb värelema igatahes. On kõigiti loogiline, et igasuguse osakesega seotud nullenergiat ei saa me kuidagi kasutada, sest sellisel juhul peaks ju tema energia vähenema allapoole minimaalset võimalikku, mis on aga vastuolus kvantfüüsika printsiipidega.

   Sama määramatuse printsiip kehtib ka energia ja aja kohta ruumis. Isegi absoluutselt tühjas ruumis (olgu selleks siis vaakum) ei saaks me väita, et energia seal oleks null, sest energia mõõtmiseks kuluks lõpmatult pikk aeg. Nii tulenebki kvantfüüsikast lihtne järeldus, et ka vaakum ehk ruum, kus "midagi" ei ole, omab vähemalt energiat -- nullenergiat. Vaakumi nullenergia allikaks on eelkõige igasugused väljad, mis eksisteerivad kogu Universumis. Kõige tuntum on loomulikult elektromagnetväli, mille spekter ulatub gammakiirgusest kuni raadiolaineteni välja. Iga sellise välja põhjustanud võnkumine ehk mood omab samuti oma nullenergiat, mis on iseenesest äärmiselt väike, kuid erinevate sagedustega moode on Universumis ju ääretu hulk. Kui me kõik need pisitillukesed energiakogused kokku liidame, siis peaksime vaakumi nullenergiaks saama tõesti üsna aukartustäratava numbri.

   Tore, tore, aga üllatuslikult on sellise energiamere märkamine vägagi raske, sest tegemist on ju ikkagi minimaalse energiaga, mille suhtes me kõiki teisi energiaid võrdleme. Ometi hakkab tema olemasolu ilmnema, kui vaakum ja mateeria kokku saavad. Esimesed viited vaakumi nullenergia olemasolust saadi juba kvantfüüsika algusaastatel, mil püüti teoreetiliselt välja arvutada vesiniku aatomi kiirgusspektreid. Iga aatomi tuumale kuuluv elektron omab temale iseloomulikke energiatasemeid. Kui elektron satub kõrgema energiaga tasemelt madalama energiaga tasemele, siis kiirgab ta välja teatud kindla lainepikkusega valgust. Vesiniku aatom oli praktiliselt esimene selline süsteem, mille kiirgusspekter suudeti ka uut kvantfüüsikat rakendades välja arvutada. Kuid katsetes mõõdetud ning teoreetiliselt leitud spektrid ei läinud millegipärast kokku. Alles pärast vaakumi nullenergia kaasamist arvutustesse suudeti eksperimendist mõõdetud lainepikkused viia vastavusse teoreetiliselt leitutega. Vaakumi nullenergia olemasolu on aga tõestatud ka ühe teise huvitava katsega.

   Casimiri efekt

   Juba aastal 1948 ennustas Hollandi füüsik Hendrick Casimir, et kui vaakumis asetada teineteisele väga lähedale kaks tasaparalleelset plaati, siis vaakumi energia erinevuste tõttu plaatide vahel ja mujal peaks tekkima imeväike jõud, mis surub plaadid kokku. Asi on nimelt selles, et elektomagnetvälja kõik moodid lihtsalt ei mahu plaatide vahele ning seetõttu jääb osa pikemalainelisi moode plaatide vahelt puudu. Loomulikult on see jõud äärmiselt väike ning teda pole sugugi lihtne mõõta. 1958. aastal tegi M. J. Sparnaay esimese argliku katse Casimiri poolt ennustatud jõu mõõtmiseks, kuid alles 1997. aasta alguses teatas Steven K. Lamoreaux esimesest korrektselt läbiviidud katsest Casimiri jõu määramiseks. Ilmnes, et kaks plaati tõmbusid vaakumis teineteise poole jõuga üks nanonjuuton. Umbes sellist jõudu avaldab kaalukausile asetatult üks inimese vererakk. Tähtis pole siinjuures mitte selle jõu suurus, vaid fakt, et vaakumi nullenergiat on võimalik mingis ruumipunktis "vähendada" üldise fooni suhtes. Momendil on kasulik see tõsiasi lihtsalt meelde jätta.

   Kas tõesti lõpmatu?

   Ma ei usu, et leiduks praegu keegi, kes oskaks öelda, kui palju siis seda nullenergiat Universumis on. Jah, kvantfüüsika arvutused opereerivad tõesti ju lõpmatult suure moodide arvuga. Mõned kosmoloogid on spekuleerinud küll, et Universumi alguses, kui tingimused kõikjal meenutasid ehk kõige lähemalt tingimusi musta augu sisemuses, oli nullenergia tase väga kõrge, ning pole välistatud, et just tänu sellele energiale käivituski Suur Pauk. Praegusel ajal peaks igatahes latt madalamal olema. Aga kui madalal? Fakt on see, et vastavalt Einsteini gravitatsiooniteooriale peaks ülikõrge nullenergia tekitama ka ülitugeva aegruumi kõveruse ning seda me ju ometi peaksime märkama. Ei ole aga märganud. Kas see on tõestuseks, et vaakumi nullenergia on äärmiselt väike? Väga palju küsimusi. Kuid leidub siiski optimistlikult meelestatud füüsikuid, kes arvavad, et isegi kui see energia on üsna märkamatu, võib teda siiski ehk kasutada ning lahendada tulevikus inimkonna energiaprobleemid. Nende optimistide seas mängib erilist rolli USA füüsik Harold E. Puthoff, kes juhib Austinis tervet uurimisinstituuti, mis on keskendunud just vaakumi nullenergia kasutamisele. Lõppude lõpuks suutis ka Steven Lamoreaux oma Casimiri katses vaakumenergiat kasutada. Muidugi, katse käigus suudeti sellest energiamerest ammutada siiski vaid sõrmkübaratäis energiat – 10^-15 J, kuid nagu väidab Puthoff, polegi selliste makroskoopiliste süsteemidega võimalik rohkemat saavutada. Ja ega seegi sõrmkübaratäis energiat siis tasuta tulnud. Peab ju arvestama, et ka plaatide eemalekiskumiseks pidi kulutama energiat. Maailmast pole aga entusiastid kuhugi kadunud ning isegi USA patendiamet on juba väljastanud mitmeid patente, mis suuremal või vähemal määral püüavad nullenergiat püüda. Üheks huvitavamaks konsteptsiooniks tuleks lugeda USA füüsiku Ken Shouldersi pakitud elektronklastrite mudelit. Shouldersi eksperimentides õnnestus moodustada miljonitest elektronidest koosnevad sõõrikukujulised klastrid, mis näitasid üles harukordset stabiilsust. Asja teeb veelgi huvitavamaks tõsiasi, et tavaliselt ju elektronid tõukuvad omavahel ning selliste püsivate elektronklastrite moodustamine ei tohiks üldse võimalik olla. Kuid Shouldersi väitel osutub elektronide "külakuhja" ehitamine võimalikuks tänu juba tuttavale Casimiri jõule, seekord siis tõeliselt mikroskoopilises mastaabis. Igatahes on optimistlik teadlane enda leiutisele juba kümne aasta eest ka USA patendi hankinud, sest mine sa tea, äkki saab sellisegi ideega vaakumienergiat ammutada. Ja neid leiutajaid on teisigi! Meie kõigi kurvastuseks tuleb aga öelda, et ükski neist ideedest pole jõunud veel nii kaugele, mil vaakumienergia abil oleks kas või lambipirni põlema suudetud panna. Noh muidugi võib ju väita, et ka termotuumareaktsioonidel põhinev tuleviku energiaallikas pole samuti suutnud veel lambipirnigi põlema süüdata, kuid termotuumareaktsioon on ikkagi oma energiasisaldust tõestanud mitmetes vesinikupommide katsetustes. Midagi nii mastaapset pole vaakumi nullenergial veel vastu panna.

   On siis üldse lootust?

   Rääkides vaakumi nullenergiast, peame tõdema, et igatahes on see täiesti reaalne, selle olemasolu on tõestatud nii teoreetiliste arvutuste kui ka katsete kaudu. Senini on lahtine küsimus: kui suur nullenergia ikkagi on. Vaidlused jätkuvad. Küllap suudetakse lähitulevikus midagi ka katseliselt tõestada. Kuid juba niigi on vaakumi nullenergiast väga palju kasu olnud. Uued ideed sünnivadki ju tihti hullumeelsetest ning ebaharilikest vaadetest ümbritsevale maailmale. Ja kellel saakski midagi selle vastu olla, et mitmed rikkad firmad toetavad just sääraseid veidrikke teadlasi ning ei kasuta oma vaba raha näiteks mingi pesupulbri ülemaailmseks reklaamimiseks. Ja võib-olla polegi need firmajuhid nii rumalad, jagades raha utoopilistele projektidele, mis lubavad kohvitassi mahtuva vaakumi energiaga aurustada kõik maailma ookeanid. Vahest nad lihtsalt toetavad uut mõtlemist, mis mingil momendil on võimeline genereerima ka midagi väga reaalset ja käegakatsutavat. Äkki on meil kõigil sellest midagi õppida?

   JÜRI KRUSTOK (1955) on Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur. Füüsika-matemaatikakandidaat.