Фундаментальная физика

Вообще, открытие принципов квантовой механики изменило взгляд на многие явления, но пожалуй самый мощный удар пришёлся по такому простому и привычному понятию, как пустота.

Глава 1 — Делаем пустоту

Понятие пустоты и её свойства тревожило умы учёных с самых давних времён. Например, римские инженеры поднимали воду на высоту с помощью насосов, работающих по принципу откачивания воздуха.

Считалось, что вода поднимается за поршнем, поскольку «природа не терпит пустоты». Тогдашние учёные не знали о6 атмосфере и об ее огромном давлении, и данное объяснение казалось исчерпывающим. Пока они не попытались поднять воду на высоту более 10 метров — столб воды замер на этой отметке и уже совсем не стремился за поршнем. Такая вот проблема фундаментальной физики двухтысячелетней давности.

Сейчас мы знаем, что 10 метров водяного столба как раз эквивалентны нормальному атмосферному давлению, которое ответственно за поднятие воды. И что нас окружает не пустота, а воздух — океан, состоящий из беспорядочно движущихся молекул.

Значит пустота будет между молекулами? А вот и нет. Во-первых, там мы обнаружим различные поля — гравитационное, электромагнитное и равномерно заполнившее всю вселенную поле Хиггса, которое никогда не бывает равное нулю и, к слову, обеспечивает всем частицам массу.

Во-вторых, нам придётся иметь дело с вездесущими нейтрино — частицами, для которых наша планета более проницаема, чем стекло для света. В каждом кубическом сантиметре их триллионы. На картинке типичный детектор нейтрино — резервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тоннами специально очищенной воды.

Но я немного отвлёкся от темы. Настоящая пустота — как её создать? Во-первых, закроемся от излучений и всяких нейтрино невероятно толстыми стенами, скажем, из свинца, заэкранируемся от внешних электромагнитных излучений, извлечём все молекулы, возможно с небольшой погрешностью — что-то всё равно останется, уберём поле Хиггса и гравитацию.

Мы вроде бы получили пустоту. Там темно и абсолютный ноль по шкале Кельвина, так как молекулы и излучения отсутствую. С точки зрения классической физики это настоящая пустота, однако квантовая механика утверждает, что как бы мы ни старались, всё равно у нас не получится избавиться от очень необычного явления под названием нулевые колебания вакуума.

Глава 2 — Нулевые колебания вакуума

Данное явление есть следствие принципа неопределённости, открытого физиком-теоретиком по фамилии Гейзенбег. Согласно этому принципу, в квантовом мире существуют пары характеристик, для которых верно следующее утверждение: чем точнее мы измерим одну, тем более неопределённой становится другая.

Например, определив координаты электрона, мы не сможем узнать его скорость. А узнав точно скорость, не сможем узнать координаты. Как тут не вспомнить бородатый анекдот: специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: «Вы знаете, как быстро Вы ехали, сэр?». На что физик отвечает: «Нет, но я точно знаю, где я!».

И тут я снова возвращаюсь к удивительной, надеюсь, не только для меня мысли: свойства окружающей нас вселенной можно узнать без проведения опытов, исключительно играясь с математическими операторами. В частности, из принципа неопределённости мы можем вывести, что для события, делящегося некое известное количество времени, невозможно зафиксировать энергию абсолютно точно — а только с некоторой погрешностью.

Физический анализ этой математики приводит к странному заключению, что закон сохранения энергии в квантовой механике работает по другому и что частицы могут, образно говоря, «занимать” энергию.

Те же транзисторы работают благодаря тому, что электроны преодолевают «невозможный» потенциальный барьер, на который у них не хватает энергии, то есть не хватило бы в классической физике. А в квантовой механике, которая, между прочим, экспериментально проверена вдоль и поперек, энергия электрона может спонтанно изменяться, хоть и в пределах вычисляемой погрешности. Данный эффект называется квантовым туннелированием.

Теперь посмотрим на пустоту в нашем свинцовом бункере с учётом принципа неопределённости. И неожиданно получится, что энергия любого поля в вакууме не равна нулю! И что в вакууме всегда происходят колебания полей, математически эквивалентные спонтанно возникающим парам частица-античастица.

Такие частицы назвали виртуальными. И, честно говоря, я не смогу понятным языком объяснить, что такое виртуальные частицы, так как какие-либо аналогии для их описания невозможны в принципе. В статье на вики о виртуальных частицах звучат фразы типа «некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля» или «виртуальные частицы — это и есть то, как происходит взаимодействие». Собственно, понимания эти фразы ни капельки не прибавляют.

Если же вы встречали в интернете статью, из которой поняли что они такое, причем без вникания в формулы, значит вас обманули.

Однако для понимания сути проблемы нам не нужно вникать настолько глубоко. Достаточно знать, что нулевые колебания вакуума обладают энергией. Причём по всем выкладкам получается, что она бесконечно огромна.

Глава 3 — Энергия и бесконечность

Итак, энергия физического вакуума, который только притворялся пустотой, получается бесконечной. Энергия пустого пространства бесконечная.

Тут надо вспомнить о том, что физики очень не любят бесконечность, т. к. довольно часто она является признаком ошибки. Однако в данном случае мы можем принять уровень энергии вакуума за ноль — ведь она в любой точке вселенной одинаково бесконечна. Поэтому любая другая энергия будет как бы над ней — и в формулах бесконечность успешно сократится.

К слову, на энергии вакуума любят паразитировать различные непризнанные «гении» с целым ворохом вакуумных или эфирных или торсионных двигателей, серьёзно, наберите в ютубе «энергия вакуума», это что-то с чем-то.

Есть простейший принцип — от большого камня можно получить «даровую» энергию, только если имеется перепад высот. Или, выражаясь физическим языком, должно существовать состояние системы с меньшей энергией. Например, сжатая пружина реализует свою потенциальную энергию, переходя в разжатое состояние.

От камня, лежащего посреди ровного плато, энергию можно получить, только затратив ещё энергию, т. е. подняв его. Уронив камень, мы получим затраченную энергию, то есть останемся при своём.

Иначе говоря, нам нужен физический вакуум с меньшей энергией нулевых колебаний. Но свойства физического вакуума одинаковы в пределах нашей вселенной. И вакуум, отличающийся от нашего, может быть только в другой вселенной. И то не факт.

Однако я снова отвлёкся. Какими бы виртуальными не были эти частицы, они вполне реально проявляют себя в нашем мире. Две пластины, сближенные на расстояние микрометра, притягиваются с невероятно малой силой благодаря ослаблению части флуктаций, так называемый эффект Казимира.

К списку реальных проявлений виртуальных частиц относят спонтанную эмиссию фотона, поляризацию вакуума, эффект Комптона и много других страшных слов. Самое главное в данной ситуации, что все эти эффекты замечательно сходятся с теорией. И жили бы физики спокойно, и не горевали бы, если бы не одна бессердечная сволочь — гравитация.

Глава 4 — Гравитация

Дело в том, что в присутствии гравитации нулевые колебания что-то весят, к слову, забудьте школьное определение, в котором гравитация действует на массу — она действует именно на энергию.

Чисто математически отбросить этот вес мы уже не сможем. Он конкретен, измеряем, и лезет в фундаментальные формулы, описывающие нашу вселенную. Например, в уравнения Эйнштейна,  как раз и есть та самая космологическая постоянная.

Глядя на её позицию в уравнении, наиболее логично интерпретировать космологическую постоянную как суммарную энергию, находящуюся в пустом пространстве. Теоретически эта энергия должна быть равна энергии нулевых колебаний вакуума, то бишь виртуальных частиц. В присутствии гравитации мы можем легко и просто её посчитать — и получить определенную величину.

Это значение сугубо теоретическое, и всем нам крупно повезло, потому что мы живём в то самое время, когда к космологической постоянной можно подъехать с другой стороны — чисто практической. Для этого надо всего лишь измерить некоторые физические закономерности в масштабах вселенной.

Например, с помощью мощнейших телескопов оценить скорость разбегания галактик. Что учёные и сделали с помощью наблюдения за стандартными сверхновыми — и внезапно выяснилось, что галактики разбегаются ускоренно. Многие почему-то уверены, что разбегание галактик аналогично поведению осколков гранаты после взрыва, тем более что название Теории большого взрыва даже подталкивает к этой мысли.

Однако это в корне неверно. Разлетание галактик есть отражение процесса расширения пространства, которое больше всего похоже на процесс надувания шарика с нарисованными на нём галактиками. Сами галактики при этом практически никуда не движутся — расстояние между ними растёт только по причине надувания шарика. Так вот, ускоренное расширение пространства, или расширение вселенной, что по сути одно и то же, связано с космологической постоянной. Зная величину ускорения, можно напрямую оценить величину космологической постоянной и сравнить её с теоретической величиной.

Глава 5 — Хьюстон, у нас проблема

Как вы думаете, разница в 120 раз считается большим расхождением? Очевидно, ответ зависит от масштабов оцениваемого явления. Но в целом да, такое расхождение довольно велико. Однако когда мы говорим о расхождении в оценке космологической постоянной, то цифра «120» играет немного другую роль, потому что расхождение оценивается числом 10 в 120 степени, то есть единицей со 120 нулями — именно во столько раз практическая оценка меньше.

Расхождение теоретического предсказания с результатами измерений настолько огромно, что его называют «худшим теоретическим предсказанием в истории физики». Причины такого результата могут быть разные, вплоть до неверной оценки роли космологической постоянной в уравнении Эйнштейна. Возможно, мы не знаем о некой составляющей космологической постоянной помимо энергии вакуума.