После того, как все варенье съедено, банку называют «пустой». Но с точки зрения физики оно не пусто. Там есть воздух, и этот воздух имеет некоторый вес. Что произойдет, если мы выкачаем из этой бутылки весь воздух, весь, весь, оставив внутри абсолютный вакуум? В конце концов, разве вакуум не имеет веса?
Как бы не так...
Помните, есть две физики, которые сильно отличаются друг от друга: классическая физика (та самая, которую вы изучаете в школе) и квантовая физика.
Что происходит, когда две маленькие элементарные частицы, скажем, два электрона, ускоряются до чрезвычайно высоких скоростей и сталкиваются друг с другом? С ними ничего не случится и они останутся такими же, как и прежде. Однако столкновение приведет к созданию нескольких новых элементарных частиц где? Из ниоткуда!
Сколько типов частиц образуется? И это зависит только от скорости электронов. Чем выше скорость, чем ближе она приближается к скорости света в вакууме (около 300 000 километров в секунду), тем больше частиц материи будет произведено при столкновении. И теоретически столкновение всего лишь двух крошечных электронов могло бы создать миллион частиц миллиард. 10 триллионов. Вся Вселенная может родиться от столкновения двух электронов!
Невозможно верить в такие вещи «как есть» на интуитивном уровне. Тем не менее, это так.
но все могло быть иначе. Предположим, электрон и другая элементарная частица — позитрон летят навстречу друг другу. Они сталкиваются.. и исчезают! Вы увидите яркую вспышку. При столкновении рождаются две частицы света, два фотона. И как говорят учёные, сами электроны и позитроны растворяются в воздухе и исчезают. Слово «аннигиляция» происходит от латинского слова «nihil», что означает «ничто». От электронов не остается никаких остатков или фрагментов, они просто исчезают. Как в сказке.
Что отличает классическую физику от квантовой? Классическая физика – это физика «большого мира», или макромира. А квантовая физика — это физика микроскопического мира, мира, где все вокруг нас невообразимо мало, где все происходит за невообразимо короткое время и где скорость движения запредельно огромна.
Классическую физику можно представить в виде матрешки. Внутри самой большой матрешки прячут матрешку меньшего размера, затем матрешку меньшего размера и так далее. Но по сути все эти «матрёшки» имеют одинаковые характеристики, они подчиняются одним и тем же законам. Например, закон сохранения энергии: «Энергия не появляется из воздуха и не исчезает в воздухе». Ну или «Ничто не возникает из ничего».
Но квантовая физика совершенно иная. И многие законы «нормальной» физики не работают в квантовой физике. Или работает, но совсем не так.. особенно в квантовой физике, где можно взвесить небо!
Во поле, во тензорном...
Чтобы взвесить пустоту, давайте сначала сделаем некоторые приготовления. Начнем с этого. Знаете ли вы, что такое «поле»? В научном смысле? Это физика или математика? В этом нет ничего сложного. Поле – это объект, каждой точке которого присвоен определенный номер. Например, возьмите лист тетрадной бумаги, окруженный квадратами, и в каждой ячейке напишите число.
Это называется «скалярное поле
Это чем-то похоже на настольную игру. Это то, что мы только что нарисовали, и оно называется полем. Говоря более научным языком, это скалярное поле. Слово «скаляр» происходит от латинского слова «скала», что означает «лестница» (отсюда слово «шкала» обозначает такие вещи, как линейки и термометры).
Что, если вместо того, чтобы писать цифры в каждой ячейке, мы нарисуем стрелки направления? Или, как часто говорят учёные, «вектор» (слово «вектор» на латыни буквально означает «носильщик», «переносчик») (смысл)? Что мы получаем? Это тоже поле? Однако это уже не скаляр, а вектор.
А это уже векторное поле
Что произойдет, если мы «втиснем» сложный объект в каждую ячейку листа. Например, математики и физики очень любят «сверхчисла», называемые «матрицами» и «тензорами». Что произойдет, если мы вырежем матрицу или тензор в каждую ячейку? Что мы получим? Да, поля тоже есть. Для матриц — поля матрицы. Для тензоров – тензорные поля. Все как в деревне. Посеем пшеницу – будет пшеничное поле. Сеем картошку, картошку. Сеем рис – рис. Ничего сложного!
А теперь магнитное!
Конечно, в реальном физическом поле оно, в отличие от листа заметок, невидимо, поэтому ни чисел, ни векторов вы не увидите. Однако в каждой точке поля существует определенная величина (например, сила), которую можно обнаружить, увидеть и даже измерить. Предположим, вы принимаете ванну в ванной. Чтобы занятие было веселым и менее скучным, возьмите с собой резиновый мяч (или другую небольшую игрушку) и пустую бутылку с водой. Наполняем бутылку водой и плотно сжимаем ее под водой. И полюбуйтесь, как под воздействием совершенно невидимой струи воды шарик вдруг «сам по себе» вылетает в противоположный конец ванной комнаты. Невидимые подводные течения являются грубым, но ярким примером именно этого поля (силового поля из научно-фантастических книг). В каждой точке ванной комнаты каждая крошечная частица воды движется с определенной скоростью. Другими словами, есть импульс силы (эта сила снаружи не видна, но вы также можете измерить эту силу и записать ее «в клеточку» на листе бумаги), мяч, брошенный в ванну, испытает множество таких сил. Вдохновитесь и начните двигаться!
Но.. почему вы назвали этот пример "грубым"? Ведь вы сами это прекрасно понимаете. – Шар вообще движется под действием потока воды из какого-то вещества. Если бы нас вдруг выбросили в открытый космос (место, где нет воды и воздуха и где царит абсолютная пустота, или вакуум) с мячом и пластиковой бутылкой, мы бы уже не смогли «водить машину». Мяч - Сколько бы вы не сжимали и не открывали бутылку, игрушка не сдвинется с места. Потому что вокруг нет материи!
Но реальное физическое поле – это другое дело. Никакие вещества вообще не нужны. Назовем это магнитным полем. Большинство обычных магнитов на холодильник прекрасно работают под водой, на воздухе и даже в космическом вакууме. Это связано с тем, что магнитному полю не требуется материя или «рабочее тело». Как это возможно, и как можно действовать «через абсолютное небытие» — об этом чуть позже?
Поэтому магнитные поля нельзя увидеть, услышать, потрогать или понюхать. Тем не менее, оно есть, оно реально и имеет силу! Достаточно поднести гвоздь, ключ или другой металлический предмет близко к магниту. Вы можете сразу почувствовать ту же силу. А мощные магниты обычно способны вырвать металлические предметы из рук человека или даже поднять настоящие автомобили!
Давайте проведем простой классический эксперимент, который много раз описан в учебниках. Насыпьте на бумагу пригоршню железных опилок и поднесите магнит к другой стороне. Опилки быстро «красятся» и растягиваются в тонкие линии. Другими словами, они собираются вдоль силовых линий магнитного поля.
Линии магнитного поля можно увидеть благодаря железному порошку
Хотя мы не можем видеть само магнитное поле, мы можем видеть направление его силы, воображаемый вектор стрелки. Итак, магнитные поля, да, это совершенно верно. Это векторное поле. Если вы уже сами об этом догадались, молодец!
Как устроен атом?
Когда я ходил в начальную школу, на рукаве моей формы был красный шеврон с открытой книгой и нарисованным солнцем. А когда я перешла из младших классов в младшие, наши шевроны стали другими, они стали синими, и на фоне солнца появились странные «цветочки». Учитель быстро объяснил, что это атом, а не цветок. В центре находится ядро, вокруг которого вращаются электроны.
Старый форменный шеврон (нашивка на рукаве
Кстати, так атомы до сих пор изображаются во многих книгах. То есть это шар электронов, который вращается вокруг ядра атома по орбите, подобно планетам вокруг Солнца.
Хоть это и не очень правильная схема (с современной научной точки зрения), мы используем ее, потому что она проста, понятна и понятна визуально. Следовательно, каждый атом имеет центральное ядро, вокруг которого летают маленькие отрицательные электроны. Самый простой атом – атом водорода. Ядро атома имеет только один отрицательный («-») электрон и один положительный («+») протон.
модель атома водорода
Глядя на это фото, физики давно задавались вопросом. Какая сила заставляет электроны вращаться вокруг протонов, никуда не рассеиваясь? Земля вращается вокруг Солнца под действием силы тяжести. Возможно, электроны тоже притягиваются к протонам под действием силы тяжести? Проведя некоторые расчеты, я быстро понял, что нет, этого не может быть. Это означает, что здесь действует какая-то другая сила который из?
Это не сложно понять. Это магнитная сила, а точнее электромагнетизм. В магните отрицательное всегда притягивается к положительному, верно? Следовательно, «минусовый» (т е отрицательно заряженный) электрон притягивается к «положительному» (т е положительно заряженному) протону таким же образом.
Та же модель атома водорода
Это означает, что между электроном и протоном или ядром существует электромагнитное поле. С точки зрения школы, то есть классической физики, электромагнитные поля не требуют материального «носителя».
Обратите внимание: В Японии разработали надувной скутер, который практически ничего не весит.
Электромагнитные поля просто существуют и всё. Но, как уже говорилось, с точки зрения «другой» физики, а именно квантовой, «все всегда не так».В квантовой физике для существования поля должны существовать определенные субатомные частицы, которые ученые называют калибровочными бозонами.. и расчеты показывают, что калибровочные бозоны электромагнитного поля внутри атомов давно известны физикам - это уже упоминалось квант электромагнитного излучения, «частица света» или фотон!
Необыкновенный настольный теннис
С точки зрения расчетов и формул квантовой физики электрон «связан» с ядром, потому что он испускает фотон, который летит к протону и поглощается. Затем протон испускает фотон, который летит к электрону и также поглощается. Без этих фотонов атомы распались бы на составные части.
Это как двое детей играют в пинг-понг. В эту игру можно играть, только если у вас есть мяч. Без мяча нельзя играть в теннис... Другими словами, если бы протоны и электроны не играли бы постоянно в «теннис» как фотоны, атомов бы не существовало...
Но именно здесь многие учёные почесали затылки! – В этом случае нарушается едва ли не самый главный закон физики: закон сохранения энергии. С точки зрения этого закона, фотон не может испуститься «в одиночку», ему требуется энергия извне, то есть «толчок» или «пинок». Однако никакая энергия не поступает извне. Однако атомы водорода существуют спокойно.
В результате физики пришли к следующему выводу: Протоны и электроны обмениваются фотонами с поразительной скоростью. Всего за одну секунду фотоны «шарика» перелетают от одного «игрока» к другому 1 триллион раз (в цифрах: 1 000 000 000 000 000 000 000).
И на таких микроскопически малых временных масштабах законы квантовой механики начинают работать в полную силу – в таких случаях законы сохранения.. не работают. Очень точно, они не работают, но это «немного неправильно» и «имеет погрешность»! ." В результате этих «ошибок» фотоны рождаются «из воздуха». Физики нашли эту особенность настолько выраженной, что такие фотоны (и частицы вообще) стали называть виртуальными.
Что такое «виртуальный»?
слово «виртуальный» вам наверняка знакомо. Первоначально слово «виртуальный» означало «активный», «мощный» или «способный производить эффект» и произошло от латинского слова «vir», что означает «человек». Но уже в 15 веке это слово приобрело другое значение. Слово «виртуальное» стало означать «нечто, производящее какой-то эффект, но не существующее в реальности».
Физики используют слово «виртуальный» уже почти 100 лет, с 1924 года. Внутри атома водорода происходит постоянный обмен виртуальными фотонами. Электромагнитное поле существует и именно благодаря этому электроны не «убегают» из ядра...
Пустота превращается. в квантовую пустоту!
Но учёные подумали: если такие виртуальные частицы существуют внутри атомов, почему бы им не существовать повсюду? Ведь тот же вакуум оказывается «абсолютной пустотой» только с точки зрения классической физики. И с квантовой точки зрения он вовсе не пуст. В каждой точке всегда рождается пара виртуальных частиц и античастиц, например электрон и позитрон.
Эта пара частиц рождается «из ничего», какое-то время «живет», а затем сталкивается друг с другом и исчезает, исчезая. — «Никуда не пойду» без выделения энергии в окружающую среду. Этот совершенно невообразимый «коктейль» из кипящих виртуальных частиц получил название квантового вакуума.
Рождение и уничтожение пар виртуальных частиц в квантовом вакууме
Квантовый вакуум можно сравнить со спальней детского лагеря. В тихие минуты дети юниорской команды закрывают глаза, укрываются одеялами и мирно спят. Тут вожатую срочно вызывает начальница, она уходит... Сразу начинается жуткий шум, беготня и визг! Кто-то прыгает на матрасе, как на батуте, кто-то дерётся подушками, кто-то заворачивается в простыню и притворяется привидением. Но где-то по пути появился консультант. «Вождь идет!!!» - раздается крик, дети тут же бегут к кровати, накрываются одеялами и закрывают глаза. Когда консультант вернулся, его настолько переполнили эмоции, что он чуть не заплакал. Какие образцовые дети у нее в команде.
Это квантовый вакуум, кажущаяся абсолютная пустота. Там ничего нет. Но на самом деле существует постоянный хаос: в любой момент времени пары виртуальных частиц создаются и уничтожаются триллион раз в секунду. Ученые назвали этот механизм квантовыми флуктуациями вакуума, или просто квантовыми флуктуациями.
(Слово «колебание» тоже латинское и означает «колебание, отклонение, волнообразное движение».)
«Они настоящие!!!»
Первоначально физики полагали, что квантовый вакуум, квантовые флуктуации и виртуальные частицы — это чистая фантастика, интеллектуальные игры и просто математические модели, полезные для вычислений. Тот факт, что виртуальные частицы не существуют в реальности и что виртуальные фотоны и электроны никогда не смогут превратиться в реальные вещи, раскрывает поведение наблюдаемой извне реальности. Но в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир сделал очень важное открытие.
Если поместить в вакуум две параллельные полированные пластины, но очень близко друг к другу, внутри пространства между ними будет меньше квантовых флуктуаций, чем снаружи. И «из ничего», «из вакуума» образуется сила, притягивающая пластины друг к другу. Ученые были в восторге. У них была возможность провести важные эксперименты. То есть теперь у нас есть возможность понять, являются ли виртуальные частицы чисто виртуальными «формулами на бумаге» или они все же реальны?
Эксперимент был проведен в 1958 году. Эффект Казимира действительно существовал! Виртуальные частицы стали реальностью! Они были настоящими! Казалось бы, совершенно пустой вакуум («ничто») оказался буквально «наполненным» энергией!
Три синих озера малинового цвета
Но можно ли как-то «захватить» или «извлечь» эту энергию из вакуума? На помощь пришла астрономия. В 1973 году советские учёные Алексей Старобинский и Яков Зельдович предсказали, что особая звезда — вращающаяся чёрная дыра — сможет извлекать энергию из квантового вакуума!
Идея советского исследователя очень понравилась британскому физику-теоретику Стивену Хокингу. А в 1975 году он снабдил ее математическим аппаратом, провел расчеты и показал, что любая черная дыра (не только вращающаяся) способна «сжимать» вакуум. Новое открытое излучение было названо излучением Хокинга.
Стивен Хокинг появился на обложке 9-го номера журнала «Лучик» за 2021 год
Как возникает излучение Хокинга из черной дыры Возможно, вы читали или слышали, что черная дыра — это звезда, гравитация которой настолько велика, что даже света не существует. – С этой планеты «сбежать» невозможно. Вот почему черные дыры называют черными. Потому что черные дыры на самом деле черные, чернее самой черной черноты. И вдруг - из такой дыры - радиация? Но как?! Этого не может быть...
Да, это. В обычной физике этого не происходит. Но в квантовом режиме вы можете делать столько вещей, сколько захотите (сколько раз вы это повторите?).
У всех черных дыр есть граница, или «точка невозврата», называемая в физике горизонтом событий. Все, что по неосторожности попадет за горизонт событий, будет неумолимо затянуто огромной гравитацией черной дыры и станет «сингулярностью».
Однако черные дыры окружены квантовым вакуумом, внутри которого постоянно происходят флуктуации или пары виртуальных частиц. Как уже говорилось, эти частицы существуют ничтожно малое время. Время пренебрежимо мало и почти неуловимо. Но наши частицы также движутся со скоростью света. Следовательно, за такой короткий промежуток времени он может пролететь очень большое расстояние, порядка нескольких сантиметров. И этого оказалось достаточно, чтобы произошло самое удивительное на свете...
Если пара частиц окажется вблизи горизонта событий, то во время их движения одна из двух частиц может случайно упасть за горизонт. И второе — оставаться над горизонтом. При этом первая частица «засасывается в сингулярность», а вторая улетает в окружающее пространство. А с точки зрения стороннего наблюдателя это выглядело бы как рождение частицы черной дырой.
А поскольку в квантовом вакууме постоянно рождаются пары виртуальных частиц (опять же, триллион раз в секунду), результатом является настоящее излучение. У кого жар!
Расчеты показывают, что чем больше масса черной дыры, тем холоднее ее излучение Хокинга. Допустим, черная дыра с массой в шесть раз больше массы Солнца «нагрета» до температуры всего в 1/100 миллионной градуса. Но что произойдет, если масса черной дыры мала?
Излучение Хокинга показало, что температура черной дыры, которая в 2 миллиона раз легче массы Земли, составляет примерно 7200 градусов Цельсия, а это значит, что она раскалена!
«Такого быть не может, потому что такого быть не может» (как писал помещик Семи Булатов в рассказе А. П. Чехова «Письмо знающему соседу»), но, друзья, это квантовая физика.
И черная дыра ослепительно белого цвета, черная дыра ярче Солнца, «три малиново-голубых и голубых озера», да сколько угодно. Более того, такая «мини-черная дыра» теряет массу в процессе излучения, «испаряется» все быстрее и в конце концов взрывается, высвобождая энергию, сравнимую с взрывом примерно 1 миллиона водородных бомб!
Кстати, взрыв миллиона водородных бомб (каждая мощностью, скажем, в 1 мегатонну) звучит ужасно страшно для планеты и ее жителей. Но имейте в виду, что для Вселенной такой взрыв подобен «лопнувшему пузырю» и тривиален.
Полный бензобак пустоты, пожалуйста!
Однако взрыв – это выброс энергии. Что, если бы мы могли «использовать» эту энергию, например, как люди используют ядерную энергию? В любом случае теоретически можно было бы питать «электростанции с черными дырами», или генераторы, или даже «микрочерные дыры» вполне возможно создать такой ракетный двигатель. И уже во многих научно-фантастических рассказах и видеоиграх можно встретить некую форму «реактора сингулярности» или «генератора сингулярности», который извлекает «скрытую вакуумную энергию» из черных дыр сверхмалой массы замечательный? конечно. Однако в мире науки рано или поздно случается и так, что фантазии становятся реальностью.
Сколько весит пустота, и сколько энергии в нигде?
Наконец открывается ужасающая тайна и настоящая научная загадка. Многие считают, что наука уже раскрыла все тайны природы, что «все важные открытия уже сделаны», и остается только «выяснить некоторые детали». Это не правда. И одна из самых «кричащих» загадок современной науки — количество энергии, скрытой в вакууме.
Квантовый вакуум содержит энергию – я думаю, вы это уже понимаете. Но сколько именно внутри?
с другой стороны, энергия в вакууме может быть оценена на основе астрономических наблюдений и составляет примерно 1 джоуль на кубический километр. Подставим это значение в самое известное уравнение Эйнштейна (да, то самое «е равно em в квадрате»). Это даст вам ту же плотность вакуума. Это около 1,1 килограмма на миллиард кубических километров.
Ухмыляться – это нормально, но этого недостаточно! Хм, нет. Это довольно большая цифра, учитывая масштабы Вселенной! Например, вакуумный куб со сторонами, равными расстоянию от Земли до Луны, будет иметь очень низкую плотность, поэтому его вес составит.. около 60 тонн. Там мы «взвесили пустоту».
И снова загадки...
Но вот в чем проблема. Дело в том, что количество энергии вакуума теоретически можно рассчитать и другим способом, используя обычные формулы квантовой физики, которые можно найти в учебниках... И отсюда, капитан Врунгель. Как я уже сказал, "непоправимый начинается скандал». Согласно формуле, эта величина оказывается совсем другой и составляет примерно от 10 до 113 джоулей мощности на кубический метр. То есть значения, предсказанные теорией, и значения, наблюдаемые в реальности (в природе), различны...
Триллион триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов раз!
Это число с ведущей 1 и 120 конечными нулями. Вау, это ошибка! Это неправильно! Эта проблема называется «проблемой космологической постоянной» и является одной из самых нерешённых проблем современной физики. Поистине жгучая тайна! И что сулит нам и мировой науке вообще открытие решения этой загадки, трудно даже представить. Разве ты не хочешь заняться делом?
Читайте также:
Как родилась квантовая физика и для чего она нужна?
-
Посмотреть журнал «Лучик» можно здесь
-
Оформите подписку с доставкой в почтовый ящик на сайте Почты России
-
Покупка – в Wldberrys
-
Скачать несколько вопросов бесплатно – здесь
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Сколько весит пустота? Рассказывает журнал «Лучик».