Когда мы съедаем варенье и называем банку пустой, с точки зрения физики мы ошибаемся. Внутри остаётся воздух, который имеет вес. А что, если выкачать из этой банки весь воздух, создав абсолютный вакуум? Будет ли эта пустота иметь вес? Ответ кроется в удивительном мире квантовой физики.
Классика против квантов
Существует два принципиально разных взгляда на мир: классическая физика, которую изучают в школе, и квантовая физика, описывающая микромир. В квантовом мире происходят невероятные вещи. Например, при столкновении двух электронов, разогнанных до околосветовых скоростей, могут рождаться новые элементарные частицы — буквально из ниоткуда. Чем выше энергия столкновения, тем больше частиц может возникнуть. Теоретически, столкновение двух электронов могло бы породить целую Вселенную! Ещё более удивительна аннигиляция: когда электрон и его античастица (позитрон) сталкиваются, они исчезают, превращаясь в энергию (фотоны).
Классическая физика — это физика привычного нам макромира, где действуют законы сохранения, например, закон сохранения энергии: «ничто не возникает из ничего». Квантовая же физика живёт по своим правилам, и многие классические законы в ней либо не работают, либо работают с оговорками. Именно в квантовом мире можно «взвесить» небо и измерить энергию пустоты.
Что такое поле?
Чтобы понять, как взвесить пустоту, нужно разобраться с понятием «поле». В научном смысле поле — это объект, каждой точке которого сопоставлена некая величина. Простейший пример — скалярное поле, где в каждой точке записано число (например, температура на карте).
Если вместо чисел в каждой точке нарисовать стрелки, указывающие направление и силу, получится векторное поле. Примеры таких полей в природе — магнитное или гравитационное. Можно представить и более сложные объекты, например, тензорные поля. Главное — поле существует независимо от вещества, его можно измерить, но нельзя увидеть напрямую.
Сила магнитного поля
Магнитное поле — отличный пример реального физического поля, не требующего материального носителя. Оно действует и в воде, и в воздухе, и в космическом вакууме. Его нельзя увидеть, но можно ощутить его силу, поднеся магнит к металлическому предмету. Если рассыпать железные опилки рядом с магнитом, они выстроятся вдоль невидимых силовых линий, визуализируя структуру поля.
Строение атома и виртуальные частицы
В школе атом часто изображают как ядро, вокруг которого по орбитам вращаются электроны, подобно планетам. Но что удерживает отрицательно заряженный электрон возле положительного ядра? Сила притяжения — электромагнитное поле.
С точки зрения классической физики, поле просто есть. Но квантовая физика даёт более глубокое объяснение: электрон и протон постоянно обмениваются частицами-переносчиками взаимодействия — виртуальными фотонами. Это похоже на игру в пинг-понг: без мяча (фотона) игра невозможна. Обмен происходит с колоссальной частотой — триллионы раз в секунду. На таких малых временных масштабах законы сохранения допускают кратковременные «нарушения», позволяя частицам рождаться «из ничего» на ничтожно короткое время. Такие частицы и называют виртуальными.
Обратите внимание: В Японии разработали надувной скутер, который практически ничего не весит.
Квантовый вакуум: кипящая пустота
Если виртуальные частицы существуют внутри атомов, почему бы им не появляться и в пустом пространстве? Так физики пришли к концепции квантового вакуума. Это не абсолютная пустота, а «кипящий бульон», в котором постоянно рождаются и аннигилируют пары виртуальных частиц и античастиц (например, электрон и позитрон). Этот процесс называется квантовыми флуктуациями вакуума.
Представьте спальню в детском лагере после отбоя. Пока вожатый смотрит, все тихо. Стоит ему выйти — начинается беготня и шум. Но стоит ему вернуться — все снова мирно спят. Так и квантовый вакуум: при ближайшем рассмотрении это бурлящая среда, хотя со стороны кажется абсолютным ничто.
Эффект Казимира: реальность виртуального
Долгое время виртуальные частицы считались математической абстракцией. Но в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир предсказал удивительный эффект. Если в вакуум поместить две очень близко расположенные зеркальные пластины, они будут притягиваться друг к другу. Причина в том, что в узком пространстве между пластинами рождается меньше типов виртуальных частиц, чем снаружи. Давление «внешнего» вакуума оказывается сильнее, и пластины сближаются. Экспериментальное подтверждение в 1958 году доказало: виртуальные частицы реальны, а вакуум обладает измеримой энергией!
Излучение Хокинга: энергия из чёрной дыры
Следующий шаг — можно ли извлечь энергию из вакуума? Оказалось, да, и помогают в этом чёрные дыры. В 1975 году Стивен Хокинг теоретически показал, что чёрные дыры могут «испаряться» благодаря квантовым эффектам у их горизонта событий (границы, из-за которой ничто не может вернуться).
В квантовом вакууме у самого горизонта событий рождается пара виртуальных частиц. Если одна из них падает за горизонт, а второй удаётся улететь, для внешнего наблюдателя это выглядит как излучение, испускаемое чёрной дырой. Это и есть излучение Хокинга. Чем меньше масса чёрной дыры, тем «горячее» её излучение. Миниатюрная чёрная дыра могла бы ярко светиться и в конце концов взорваться с колоссальной энергией. Теоретически такие объекты можно было бы использовать как источники энергии будущего.
Сколько же весит пустота?
Итак, вакуум — не пустота, а среда, наполненная энергией квантовых флуктуаций. Какова же плотность этой энергии? Оценки, основанные на астрономических наблюдениях, дают очень маленькую величину — около 1 джоуля на кубический километр. Если перевести это в массу по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc², получится, что куб вакуума со стороной в расстояние от Земли до Луны «весил» бы около 60 тонн. Мы «взвесили» пустоту!
Величайшая загадка современной физики
Однако здесь кроется одна из самых больших нерешённых проблем в науке — проблема космологической постоянной. Если попытаться рассчитать плотность энергии вакуума, используя стандартные формулы квантовой теории поля, результат окажется чудовищно большим — на 120 порядков (то есть в 10^120 раз) больше, чем дают астрономические наблюдения! Это самое большое расхождение между теорией и экспериментом в истории науки. Почему реальная энергия вакуума так ничтожна по сравнению с теоретическими предсказаниями? Разгадка этой тайны, возможно, приведёт к новой революции в физике.
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
[моё] Физика Космос Астрофизика Наука Поп-образование Наука Детская литература Детский журнал Длинный пост 17Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Сколько весит пустота? Рассказывает журнал «Лучик».