Квантовые поля: из чего мы сделаны
Даже в абсолютно пустом космическом вакууме реальность кипит. Крошечные сгустки энергии постоянно возникают и исчезают в невидимом океане, заполняющем Вселенную.
Иллюстрация непрерывного квантового поля, в котором локализованные колебания и всплески энергии проявляются в виде элементарных частиц.
Чтобы представить, как ведет себя квантовое поле, полезно сначала отказаться от идеи классических частиц. Не существует крошечных твердых сфер или же бесконечно малых точек. Основа материи полностью состоит из непрерывных полей, заполняющих пространство. Есть электронное и фотонное поля, поле верхних и нижних кварков, и так далее. Всего в Стандартной модели описывается 17 квантовых полей, и каждое из них присутствует повсюду.
Однако эти поля совсем не похожи, например, на классическое макроскопическое магнитное поле. Они подчиняются законам квантовой механики, и их энергия не может быть какой угодно. Энергию квантового поля можно увеличить или уменьшить только дискретными порциями, которые называются квантами.
Когда в некоторую область поля подается достаточное количество энергии, это создает локальный всплеск. То, что воспринимается и измеряется как элементарная частица — например одиночный электрон, движущийся в пространстве, — на самом деле является локальным квантовым возбуждением электронного поля. Частица — это не отдельный объект с четкими границами, это сгусток энергии, созданный из самого поля. Такой механизм позволяет элементарным частицам совершать некоторые фокусы — например, при бета-распаде из нейтрона появляется электрон, хотя до распада никакого электрона в составе нейтрона и быть не может, ведь нейтрон состоит кварков.
Иллюстрация квантовых флуктуаций вакуума: даже пустота является динамичной бурлящей средой.
Но это еще не вся магия. Даже когда область пространства полностью лишена частиц, квантовые поля не остаются полностью застывшими. Поле в его самом низком энергетическом состоянии, известном как квантовый вакуум, по своей сути неспокойно. Из-за квантовых флуктуаций, оно ведет себя как бурлящий суп, в котором постоянно возникают и затухают энергетические колебания. В отличие от возмущений, соответствующих реальным частицам, энергия для квантовых флуктуаций заимствуется на короткое время буквально из ниоткуда и может принимать произвольные значения. Частицы, соответствующие таким колебаниям, называют виртуальными. Колебания быстро затухают и виртуальные частицы возвращаются в небытие до того, как их можно было бы детектировать. Однако, если приложить к вакууму достаточное большое количество энергии, то можно сделать материю из пустоты. Наиболее просто такой фокус можно провернуть с фотонами, и это физикам удалось еще 15 лет назад: https://www.nature.com/articles/nature10561.