Про эту вашу физику

Глава 8 Материя. Вакуум

Сегодня мы снова спешим нарушить сон среднестатистического гуманитария, который если и задумывается об окружающем мире, то только когда видит звездное небо, выйдя на балкон вечерком покурить. Те, кто следил за нашими темами, наивно полагал, что с ликбезом о материи мы закончили. А вот и нет. Мы еще не рассказали про последний вид материи, который известен науке — о вакууме. Да-да, ничто, вакуум — это материя, которая утрет нос двум другим видам своей загадочностью.

Технически, вакуум — это сильно разреженный газ, в котором вероятность поймать молекулу или атом газа довольно мала. Теоретически же вакуум — это пространство свободное от вещества. То есть свободное не только от вещественной материи, типа звезд, планет, человеков, молекул, атомов, протонов и электронов, а также и от «энергетической» формы материи, вроде электромагнитных и гравитационных полей, без фотонов, глюонов и прочих бозонов. Если подойти к вакууму со стороны теории относительности, то это среда, движение относительно которой невозможно обнаружить.

Великое Ничто — сферический конь философов, космогоническая опора верующих, универсальный аргумент завершения любого спора. Но тут вот какое дело, товарищи: ученые еще рассматривают такое явление как физический вакуум, и с ним рушатся все мечтания и надежды рассуждателей о любых формах Абсолюта.

Так-то, полученное нами образование подсказывает, что даже в космосе вакуум почти везде «загрязнен» какой-нибудь материей, будь то реликтовое излучение, или гравитационное поле, или поле Хиггса, или темная материя, будь она неладна.

Где же искать натуральную пустоту? Но вот, например, в атоме между электроном и ядром много пустого места. Если мы представим, что у ядра атома диаметр вырос до миллиметра, то ближайший к ядру электрон будет плавать в соответствующих пропорциях на расстоянии пары сотен метров. Хотя между протоном в ядре и электроном происходит постоянный обмен электромагнитным полем, а вернее, как мы знаем, виртуальными фотончиками, так что там тоже не совсем пустота.

Или вот взять пустое место между кварками внутри протона. В этом случае разного рода излучениями можно пренебречь, так как длина волны этих излучений больше субатомных расстояний, и мы получим пример чистого натурального физического вакуума. Пустота как она есть.

Беда в другом. Квантовые физики стали задавать такому вакуумы неудобные вопросы. Попробуем эти вопросы изложить популярно.

Представим себе кусочек пространства, в котором наблюдается немножечко электромагнитного поля. Ну, для наглядности, скажем, у нас в этом поле три фотончика. Если мы изымем один фотон, то любой квантовый физик скажет, что мы только что уменьшили энергию поля на один квант, переведя его в более низкое энергетическое состояние. Это обычное дело, например, в атоме, когда электрон теряет фотон и «падает» на уровень ниже.

Потом мы заберем еще один фотон, снова понизив энергетическое состояние поля. А потом отнимем и последний — третий фотон. По законам математики не осталось ничего. Ноль. А вот по законам квантовой физики выходит, что поле никуда не делось, оно осталось полем, но в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Физики ответственно заявляют, глядя на вакуум, что это не пустота, а материя с наименьшей энергией. Кажется чушью. Но это пока. Дальше еще хуже. Квантовые законы ставят нам еще одно непреодолимое условие: мы не можем знать точно одновременно два параметра частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Как это — не спрашивайте — в следующих лекциях мы обсудим законы квантового мира поподробнее.

А пока зацените проблему: получается, что при наличии поля с наименьшей напряженностью можно смело заявить, что мы знаем одновременно два параметра с абсолютной точностью. А именно в данном поле нам известно число фотонов в количестве НОЛЬ и значение напряженности поля в размере НОЛЬ. Всё: квантовая физика, похоже, идет лесом — где-то ликуют Планк с Эйнштейном, известные противники квантмеха. Это очень абсурдные для обычного мира рассуждения на самом деле нормальные для мира квантового. Там у них своя атмосфера.

Ученые призадумались. И вбросили такую идею, которая навсегда разделила человечество на тех, кто понимает квантовую физику и на тех, кто в нее не верит (что мы сейчас пытаемся исправить). Они заявили, что принцип неопределенности в вакууме сохраняется, благодаря тому, что на самом микроскопическом уровне за самые минимальные промежутки времени вакуум представляет собой не пустоту, а самое настоящее поле с частицами и энергией.

Эти частицы тоже назвали виртуальными, потому что их не поймать без хитрых приборов, а приборы уничтожают магию, превращая призрачные частицы в обычные и реальные. Получается, что в вакууме постоянно рождается и тут же аннигилирует множество пар частиц и античастиц, например, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино и т. д. с разными произвольными энергиями. Этот кипяток называют квантовой или пространственно-временной пеной с квантовыми флуктуациями (отклонениями, колебаниями, по-нашему).

Таким образом, каждый миг в вакууме выделяется и поглощается неустановленная, взятая ниоткуда, энергия, но в среднем, по закону сохранения, энергия вакуума равна НУЛЮ. Незыблемые законы сохранения не нарушаются.

Странная идея имела далеко идущие последствия. Например, разумно предположить, что вакуум чисто теоретически содержит в себе такие залежи энергии, которые не снились даже самым массивным объектам во Вселенной. Впрочем, при помощи прямых рук и большого адронного коллайдера мы вполне способны разделить вакуум на материю и антиматерию, но затраты энергии при этом будут несопоставимы с полученным результатом. Халявы не ждите, короче.

Но если вместо вакуума у нас квантовая пена, значит, не существует и пустоты между частицами? Все верно. Хотя считается, что протон состоит из трех стабильных кварков, несущих заряд, на самом деле протон — это вот такое летающее море кварков и глюонов, которые рождаются, аннигилируют, чем-то там занимаются — жизнь кипит, как говорится. И вот что получается: когда мы сталкиваем на коллайдере два протона, так сказать, лоб в лоб, то энергия столкновения «вливается» в виртуальные частицы, она способна материализовать, выдрать из пены новые частицы, траектории которых физики радостно наблюдают на экранах. Вот почему мы говорим, что протоны не состоят из тех частиц, на которые они разваливаются при столкновении — чем больше мы накачиваем энергии в вакуум, тем больше он нам показывает интересного.

Представление о вакууме подхватили астрофизики и прочие, кто занимается проблемами рождения и формирования Вселенной.

Во-первых, получается, что если из «ничто» можно выжать вещество, то тогда не очень-то и нужна начальная материя/энергия для производства Вселенной. Почему бы не предположить, что вселенная родилась в результате маловероятной, но возможной, квантовой осцилляции в пустоте? И что если рождение вселенных из ничто — обычное дело? Продолжаем наблюдать.

Во-вторых, гипотеза успешно объясняет некоторые подозрительные моменты в космологии. Например, теория об энергии вакуума предлагает по-новому взглянуть на космологическую постоянную, которая отвечает за расширение Вселенной.

В-третьих, известный физик Стивен Хокинг умудрился с помощью вакуумных флуктуаций придумать, как могли бы испаряться черные дыры: вакуум в силу ряда причин, связанных с гравитацией и квантовыми осцилляциями, разрывается на частицы и античастицы. Первые улетают в космос, а вторые — падают в черную дыру, уменьшая ее массу. А вы, небось, думали, чего все так восхищаются Хокингом? Как раз за такие интересные догадки.

Хорошо, скажете вы скептически, допустим, шутка удалась. Но это же всё не подтвержденные экспериментами идейки сумасшедших ученых, посмотрим правде в глаза — ничего из этого вы не наблюдали напрямую. Действительно, квантовые флуктуации настолько малы и быстротечны, что мы никогда не сможем их зарегистрировать в силу квантовых запретов и закона сохранения энергии. А до черных дыр мы когда еще долетим живыми и здоровыми.

И все же кое-какие подтверждения есть. Например, эффект Казимира. Невероятно странный эффект в нашем макромире, который ученые предсказали в 1948 году и экспериментально обнаружили некоторое время спустя, оказывается реально существующим, и ноги у него растут из самых глубин материи.

Аналог этого эффекта наблюдали еще моряки в незапамятные времена, когда ставили свои корабли близко друг от друга. Если в это время море было неспокойно, то корабли начинали сближаться, и это создавало реальную проблему столкновения бортами. Такую, что матросам было предписано всей командой расталкивать корабли шестами.

Корабли сближались потому, что давление бушующих морских волн на внешние борты кораблей оказывалось сильнее, чем на внутренние — ведь между кораблями море спокойнее.

Кстати, если уж приводить больше примеров, то мусор в море по этой же причине стягивается в острова.

И то же самое произойдет, если в вакууме мы поставим рядом (на расстоянии, измеряемом в микронах) две поверхности, например, две металлические нанопластинки. И что вы думаете? — пластинки начнут притягиваться.

Притяжение произойдет потому, что давление виртуальных частиц между пластинами (где количество целых волн ограничено в связи с ограниченным расстоянием), меньше чем давление этих частиц снаружи (где волн любых длин и энергий сколько угодно).

Вот это поворот! Так жеж кроме эффекта Казимира есть еще и так называемый лэмбовский сдвиг атомных уровней, который тоже объясняется тем, что на электрон влияют нулевые колебания электромагнитного поля (пропустим объяснение, а то закипят мозги даже у самых стойких). То есть они (виртуальные частицы вакуума) существуют!

Должны заметить, что дела еще хуже, чем мы рассказываем. На планковских расстояниях — тех, которые мы не можем замерить линейкой — перестает работать общая теория относительности: попробуй учти в микромире влияние всего и каждого. На самом глубоком уровне материи, внутри, так сказать, вакуума «кипят» не только виртуальные частицы, но и само пространство начинает рваться на лоскуты, оно имеет искажения и разрывы, а также допускает наличие еще нескольких измерений, окромя наших четырех. А при концентрации масс и энергий на субпланковских расстояниях вообще получается черная минидыра, которой боится любой уважающий себя алармист.

Есть гипотезы, что эти разрывы в вакууме являются окошками в параллельные пространства или просто «кротовые норы» в соседние галактики. Осталось всего-то ничего: запилить устройство для использования этих разрывов в практических целях — как бы обрадовались контрабандисты и загрустили бы таможенники.

В общем вся эта история с вакуумом заставляет физиков медленно сходить с ума и сочинять безумные теории с большим количеством математики (привет от суперструн). Воистину, Природа не терпит пустоты!

Между прочим, если начать ковырять вакуум с помощью математики, то после пары тройки бессонных лет можно прийти к выводам, что кое-какие параметры вакуума вариабельны, а значит сам вакуум может быть принципиально другим. Таким, в котором наше вещество перестало бы быть веществом, и уж тем более никаких звезд, планет и человеков образоваться не смогло. И на сегодняшний день нет никаких причин, которые бы прочно удерживали вакуум в текущих параметрах. Один квантовый скачок, незапланированное колебание — значения вакуума меняются, и вселенная превращается, например, в унылую кучку низкочастотных фотонов, чуть теплее абсолютного нуля. Вот до чего может довести математика. Осторожнее с ней!

Увы, но вакуум своей загадочностью поражает неокрепшие умы, и каждый второй уважающий себя фрик после опровержения теории относительности обязательно создает собственную теорию вакуума. Если вы наберете в поисковике словосочетание «теория вакуума», то адекватной информации о вакууме вы так просто не найдете. Шиповы, Гаряевы (R.I.P.), Чурляевы и прочие кудесники обязательно расскажут вам, что коллайдер — распил бабла, бозон Хиггса — искушение от лукавого, а физический вакуум — это эфир, который вштыривает только избранных! Например, один «гукуум» Чурляева чего стоит — а человек просто не знаком с основами физики и не желает о них слышать. Надеемся, что наши читатели, имевшие в школе по естественным наукам хотя бы троечку, встанут на защиту адекватного поиска истины. Шарлатаны не пройдут, пока есть мы — гуманитарии, которые что-то слышали с той волшебной стороны, где рулят математика и физика, а бытовая логика терпит фиаско.

До новых встреч!