Материя. Часть 3⁠⁠

Третья часть про материю в большой серии постов по научпопу. Для слишкоммногопонимающих - как всегда тэг "юмор".

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 полагали, 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.

Как всегда, картинки из гугла прилагаются. Утрирование и неадекватные аллегории гарантируются.

Технически, вакуум это сильно разреженный газ, в котором молекулу такого газа не сразу и обнаружишь. 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.

А еще есть вакуум физический. Про него мы и поговорим. 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 не ладна.

Но вот, например, в атоме между электроном и ядром много пустого места. Если мы представим, что теннисный мячик это ядро атома, то ближайший к ядру электрон будет летать в соответствующих пропорциях на расстоянии полутора километров.

Или 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 примерчик чистого натурального физического вакуума. Пустота как она есть.

На рисунке – вишенка ядро атома, а периметр стадиона – расстояние до ближайшего электрона.

Но вот беда. Квантовые физики стали задавать такому вакуумы неудобные вопросы. Попробуем эти вопросы изложить популярно.

Представим себе кусочек пространства, в котором наблюдается немножечко электромагнитного поля, и которое состоит, как мы знаем из предыдущих лекций, из фотонов. 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 осталось, но в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Вот так, например, выглядят диаграммы энергетических уровней электрона при испускании фотона и поглощении (не совсем к нашей теме, но подходящих случаю картинок не найти).

Итак, квантовые физики, глядя на вакуум, заявляют, что это не пустота, а материя с наименьшей энергией. Кажется чушью. Но это пока. Дальше еще хуже. Квантовые законы ставят нам еще одно условие: мы не можем знать точно одновременно два параметра частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Как это – не спрашивайте -  в следующих статьях 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. 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 назвали виртуальными, потому что их никому никогда не зарегистрировать. 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 и рисуют примерно вот так.

Получается, что одновременно в вакууме выделяется и поглощается множество энергии, но в среднем, по закону сохранения энергии, энергия вакуума равна НУЛЮ.

Такая идея имела далеко идущие последствия. Получается, что вакуум чисто теоретически содержит в себе такие залежи энергии, которые не снились даже самым массивным объектам во Вселенной. Если бы мы могли разделить вакуум на вещество и антивещество, нам бы энергии хватило с излишком до конца света, причем несколько раз. (Впрочем, разделить вакуум на материю мы и сейчас можем с помощью сильного электромагнитного поля - но затраты энергии при этом огромны, даже если хотим получить одну пару из электрона и позитрона)

Более того, идейку подхватили астрофизики и прочие, кто занимаются 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 (божья воля опять отодвигается на второй план, ага) - мы имеем в виду, что пространство гипотез о происхождении Вселенной расширилось.

Во-вторых, энергия вакуума успешно объяснила некоторые подозрительные моменты в космологии (это всё-таки не темная материя, увы).

В-третьих, известный физик Стивен Хокинг умудрился с помощью вакуумных флуктуаций объяснить, как испаряются черные дыры: на границы черной дыры эту квантовую пену удается разорвать на материю и антиматерию и первая улетает в космос, а вторая - падает в черную дыру, уменьшая ее массу/энергию.

На картинке трехмерная проекция квантовых флуктуаций, как если бы мы остановили время и увеличили масштабы. То есть вблизи вакуум это материя да еще с неравномерной плотностью. В интернете можно найти анимацию с этим процессом.

Что ж, скажете вы, допустим, шутка удалась. Но это же всё не подтвержденные экспериментами идейки сумасшедших ученых. Действительно, квантовые флуктуации настолько малы и быстротечны, что мы никогда не сможем их зарегистрировать в силу квантовых запретов и закона сохранения энергии.

И все же косвенные подтверждения есть. Например, эффект Казимира. Невероятно странный эффект в нашем макромире, который ученые предсказали в 1948 году и экспериментально обнаружили в 1965, оказывается реально существующим, и ноги у него растут из самых глубин материи.

Сейчас мы объясним, что это такое на пальцах. Явление, чем-то похожее на эффект Казимира наблюдали еще моряки, когда ставили свои корабли близко друг от друга. Если море было в это время не спокойно, то корабли начинали сближаться, и это создавала реальную проблему столкновения бортами. Такую, что матросам было предписано всей командой расталкивать корабли.

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

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

Притяжение произойдет потому, что давление виртуальных частиц между пластинами (где определенное количество целых волн 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 т.н. Лэмбовский сдвиг атомных уровней, который тоже объясняется тем, что электрон порождает виртуальные частицы (пропустим объяснение, а то закипят мозги даже у самых стойких). То есть они (виртуальные частицы вакуума) существуют!

Еще картинка с эффектом Казимира.

Должны заметить, что дела еще хуже, чем мы рассказываем. 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. Есть гипотезы сумасшедших ученых, что эти разрывы являются дырами в параллельные пространства или просто "кротовые норы" в соседние галактики. Но мы не будем им верить, конечно же, а то так и до паранормального можно договориться.

Короче, все это заставляет физиков медленно сходить с ума и сочинять безумные теории с большим количеством математики (привет от теории суперструн).

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, Чурляевы и прочие – обязательно вам расскажут, что Эйнштейн – жид, Нильс Бор – псих, коллайдер - развод на бабки, бозон Хиггса от дьявола, а физический вакуум это эфир! Например, один "гукуум" Чурляева чего стоит – а человек просто не знаком с основами физики. Надеемся, что наши читатели имели хотя бы троечку в школе по естественным наукам и встанут на защиту адекватного поиска истины.

На картинке – сферический конь в вакууме. Научно-популярная шутка.

На этом всё! Всем добра, меньше войн, больше струн!

NB: Занудно напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...

Следующие три заключительные части будут про квантовую физику. Напоминаю, что это перепост моих старых статей для одного унылого развлекательного сайта, и мой аккаунт не является тематическим.