Сколько весит пустота? Рассказывает журнал «Лучик»⁠⁠

Мы называем «пустой» банку, из которой съедено всё варенье. Но с точки зрения физики она не пустая. В ней есть воздух, и этот воздух сколько-то весит. А если откачать из этой банки весь воздух и вообще всё-всё-всё, чтобы внутри остался абсолютный вакуум? Что тогда? Ведь вакуум ничего не весит?

Как бы не так...

Давайте вспомним, что существуют две физики, причём очень непохожие друг на друга – классическая физика (та самая, которую изучают в школе) и квантовая физика.

Что будет, если мы разгоним до сверхбольшой скорости две малые элементарные частицы, скажем, два электрона, а потом столкнём их друг с другом? С ними ничего не случится, они останутся такими же, как были. Но при столкновении родится несколько новых элементарных частиц! Откуда? Из ниоткуда!

Сколько именно частиц родится и каких? А это зависит только от скорости электронов. Чем она будет выше, чем ближе она будет к скорости света в вакууме (примерно 300 000 километров в секунду), тем больше частиц вещества будет рождено при столкновении. И в теории при столкновении всего лишь двух крохотных электронов может родиться миллион частиц. Миллиард. Квадриллион. Из столкновения двух электронов может родиться целая вселенная!

Поверить в такое «просто так», на интуитивном уровне, не получится. Тем не менее, так оно и есть.

Но может быть и по-другому. Допустим, летят друг другу навстречу электрон и другая элементарная частица – позитрон. Сталкиваются – и... Исчезают! Мы видим яркую вспышку – при столкновении рождаются две частицы света, два фотона. А сами электрон и позитрон исчезают в никуда, аннигилируют, как говорят учёные. Слово «аннигиляция» происходит от латинского «нигиль», то есть «ничто». От электронов не останется никаких осколков или обломков – они именно исчезнут. Как в сказке.

Что же разделяет классическую физику и квантовую? Классическая физика – это физика «большого мира», макромира. А квантовая физика – это физика микромира, мира, в котором всё вокруг немыслимо маленького размера, мира, в котором все события происходят за невообразимо короткое время, мира, в котором скорости движения запредельно огромны.

Классическую физику можно представить в виде куклы-матрёшки: внутри самой большой матрёшки спрятана матрёшка поменьше, потом ещё поменьше, и так далее – но по сути у всех этих «матрёшек» свойства одинаковы, они подчиняются одним и тем же законам. Например, закону сохранения энергии: «энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда». Ну, или «из ничего не выйдет ничего».

А вот квантовая физика – совершенно иное. И очень многие законы «нормальной» физики в квантовой физике не работают или работают, но совсем не так... В частности, в квантовой физике пустоту можно взвесить!

Во поле, во тензорном...

Чтобы взвесить пустоту, сперва немножко подготовимся. Начнём вот с чего. А знаете ли вы, что такое «поле»? В научном смысле? В физике, в математике? В этом нет ничего сложного: полем называется какой-то объект, каждой точке которого приписано определённое число. Возьмём, например, кусочек листа из тетради в клетку, и в каждой клеточке напишем число.

Чем-то напоминает поле для какой-то настольной игры, правда? Вот то, что мы сейчас нарисовали, и называется полем. Более научно – скалярным полем. Слово «скаляр» происходит от латинского слова «скала», то есть «лестница» (отсюда же наше слово «шкала» – на линейке, на термометре и так далее).

А если мы в каждой клеточке не напишем число, а нарисуем стрелочку-направление? Или, как любят говорить учёные, «вектор» (по-латыни слово «вектор» буквально означает «носильщик», «транспортировщик»)? Что у нас получится – тоже поле? Совершенно верно, это тоже поле. Только уже не скалярное, а векторное.

А если мы в каждую клеточку листа «впихнём» какой-нибудь сложный объект? Скажем, у математиков и физиков большой любовью пользуются «суперчисла», которые называются «матрицы» и «тензоры». Что если мы впишем в каждую клетку матрицу или тензор? Что у нас получится? Да тоже поле. С матрицами – матричное поле. С тензорами – тензорное поле. Всё как в деревне: сеем пшеницу – будет пшеничное поле. Сеем картошку – картофельное. Сеем рис – рисовое. Так что ничего сложного!

А теперь магнитное!

Само собой, реальные физические поля – в отличие от тетрадного листа – никаких чисел или векторов нам не показывают, потому что они невидимы. Тем не менее, в каждой точке поля существует некая величина (скажем, сила), которую можно обнаружить, увидеть и даже измерить. Скажем, собрались вы искупаться в ванной. А чтобы было весело и не скучно, взяли с собой резиновый мячик (или другую маленькую игрушку) и пустую пластиковую бутылку. Наполняем бутылку, потом под водой резко сжимаем её – и любуемся, как под действием абсолютно невидимой водяной струи мячик вдруг «сам по себе» отпрыгивает на другой край ванной! Невидимая под водой струя – это грубый, но наглядный пример того самого поля (силового поля из фантастических книжек): в каждой точке внутри ванной каждая крохотная частичка воды движется с определённой скоростью, то есть обладает импульсом, силой (эту силу можно даже измерить и написать «в клеточке» на бумажке). Снаружи мы этого не видим, но брошенный в ванну мячик под действием множества таких сил начинает двигаться!

Но... Почему мы назвали этот пример «грубым»? Потому что – вы сами прекрасно это понимаете! – мячик движется под действием потока воды, в общем случае – какого-то вещества. Если мы вместе с мячиком и пластиковой бутылкой вдруг перенесёмся в космическое пространство (где нет ни воды, ни воздуха, где царит абсолютная пустота, то есть вакуум), то «погонять» мячик у нас уже не выйдет – сколько мы ни будем сжимать-разжимать бутылку, игрушка даже с места не сдвинется. Потому что вещества вокруг нет!

А вот настоящее физическое поле – дело другое, ему вещество совершенно не требуется! Скажем, магнитное поле. Самый обыкновенный магнитик для холодильника будет прекрасно работать и в воде, и в воздухе, и в вакууме космоса! Потому что магнитному полю никакое вещество, никакое «рабочее тело» не требуется. Как такое может быть, как можно действовать «сквозь абсолютное ничто» – об этом немного погодя, хорошо?

Итак, магнитное поле – его нельзя увидеть, нельзя услышать, невозможно потрогать или понюхать. Тем не менее, оно есть, оно реально, оно обладает силой! Достаточно поднести к магниту гвоздь, ключ или другой металлический предмет – и вы сразу же почувствуете ту самую силу. А мощный магнит вообще может вырвать металлический предмет у человека из рук или даже поднять настоящий автомобиль!

Проведём простой классический опыт, который много раз был описан в учебниках: насыплем на бумажный лист горсть железных опилок и поднесём с другой стороны магнит. Опилки тут же «нарисуют картинку», вытянутся в тонкие линии – то есть соберутся вдоль силовых линий магнитного поля.

Мы не можем увидеть само магнитное поле, но можем видеть направление его силы, его воображаемые стрелочки-векторы. Так что магнитное поле – да, абсолютно правильно, это векторное поле, если вы уже сами об этом догадались, то просто молодцы!

Как устроен атом?

Когда я пошёл в младшую школу, на рукаве моей формы был шеврон – красный, с раскрытой книгой и солнышком. А когда перешёл из младшей в среднюю, шевроны у нас стали другими – синими, а на фоне солнышка появился какой-то странный «цветочек». Учительница быстро объяснила нам, что это никакой не цветочек, а атом – в центре атомное ядро, вокруг которого по орбитам летают электроны.

Между прочим, во многих книгах так атомы изображают до сих пор – с шариками-электронами, которые вращаются вокруг ядра по орбитам, в точности как планеты вокруг Солнца.

Это не очень правильная картинка (с точки зрения современной науки), но зато простая, понятная и наглядная, так что мы воспользуемся именно ей. Итак, каждый атом содержит центральное ядро, вокруг которого летают маленькие отрицательные электроны. Самый простой атом – это атом водорода: у него всего лишь один отрицательный («-») электрон, и в ядре всего лишь один положительный («+») протон.

Глядя на эту картинку, физики уже давно задались вопросом: а какая же сила заставляет электрон никуда не улетать, а вращаться вокруг протона? Земля вращается вокруг Солнца благодаря притяжению, гравитации. Может быть, и электрон тоже притягивается к протону гравитацией? Расчёты сразу же показали – нет, этого не может быть. Значит, тут работает какая-то другая сила. А какая?

Нетрудно сообразить – это сила магнитная, точнее, электромагнитная! В магните «минус» всегда притягивается к «плюсу», верно? Вот и «минусовый» (то есть отрицательно заряженный) электрон точно так же притягивается к «плюсовому» (положительно заряженному) протону.

А это означает, что между электроном и протоном, то есть ядром атома, существует электромагнитное поле. С точки зрения школьной, то есть классической, физики электромагнитное поле ни в каком вещественном «носителе» не нуждается – оно просто существует, и баста! Однако, как мы уже говорили, с точки зрения «другой» физики, то есть квантовой, «всё всегда не так».

В квантовой физике для того, чтобы существовало поле, обязательно нужна некая элементарная частица, которую учёные называют калибровочный бозон... А расчёты показали, что калибровочный бозон электромагнитного поля внутри атома физикам давно известен – это уже упоминавшийся нами квант электромагнитного излучения, «частица света», то есть фотон!

Необыкновенный настольный теннис

С точки зрения расчётов и формул квантовой физики электрон «привязан» к ядру потому, что испускает фотон, который летит к протону и поглощается. Затем протон, в свою очередь, испускает фотон, который летит к электрону и тоже поглощается. Если бы этого фотона не существовало, то атом бы развалился, рассыпался на составные части.

Это как будто игра двух детей в настольный теннис – играть в эту игру можно только если есть мячик. Без мячика в теннис не поиграешь... В смысле, если протон и электрон не будут постоянно «играть в теннис» фотоном, то не будет и атома...

Но – и тут многие учёные схватились за головы! – при этом нарушается чуть ли не самый главный закон физики, а именно закон сохранения энергии. С точки зрения этого закона фотон не может испуститься «сам по себе», для этого нужна энергия извне, «толчок», «пинок». А никакого поступления энергии снаружи нет. А атом водорода спокойно себе существует.

В итоге физики пришли вот к какому выводу: протон и электрон обмениваются фотоном с немыслимой скоростью. Всего за одну секунду «мячик»-фотон перелетает от одного «игрока» к другому триллион миллиардов раз (цифрами: 1 000 000 000 000 000 000 000).

И вот в масштабах такого микроскопически малого времени начинают изо всех сил работать законы квантовой механики – в таких случаях закон сохранения... не работает! Если быть совсем-совсем точным, то работает, но уже «немножко не так», «с ошибками». Результатом этих «ошибок» и является рождение «из ничего» фотона. Физикам эта особенность показалась настолько примечательной, что такие фотоны (и вообще такие частицы) стали называть виртуальными.

Что такое «виртуальный»?

Слово «виртуальный» вам наверняка знакомо. Изначально слово «виртуальный» означало «действующий», «сильный», «способный произвести эффект», оно происходит от латинского слова «вир» – то есть «мужчина». Но уже в XV веке это слово приобрело другой оттенок – слово «виртуальный» стало обозначать «нечто, производящее какой-то эффект, но при этом не существующее в действительности».

Физики пользуются словом «виртуальный» уже почти 100 лет, то есть с 1924 года. Внутри атома водорода происходит постоянный обмен виртуальными фотонами – именно благодаря этому существует электромагнитное поле, и электрон «не убегает» от атомного ядра...

Пустота превращается... в квантовую пустоту!

Но если такие виртуальные частицы существуют внутри атома, – рассудили учёные, – то почему бы им не существовать и вообще везде? Ведь тогда получается, что тот самый вакуум является «абсолютной пустотой» только с точки зрения классической физики. А с точки зрения квантовой он совсем не пуст! В каждой его точке постоянно рождаются пары виртуальных частиц и античастиц – например, электрон и позитрон.

Эта пара частиц рождается «из ничего», какое-то время «живёт», а затем сталкивается друг с другом и исчезает – аннигилирует! – «в никуда». Без выделения энергии в окружающую среду. Этот совершенно невообразимый бурлящий «коктейль» из виртуальных частиц назвали квантовым вакуумом.

Квантовый вакуум можно сравнить со спальней в детском лагере. Тихий час, детишки из младшего отряда мирно спят, закрыв глазки и укрывшись одеялками; тут вожатую срочно вызывают к начальнику, она уходит... Немедленно начинается жуткий тарарам, беготня, визг! Кто-то прыгает на матрасе, как на батуте, кто-то дерётся подушками, кто-то, завернувшись в простыню, изображает привидение. Но вот на тропинке появилась вожатая. «Вожатка идёт!!!» – раздаётся клич, и тут же дети разбегаются по кроватям, накрываются одеялами и закрывают глаза. Вернувшаяся вожатая чуть не плачет от умиления – какие же у неё в отряде примерные детки.

Вот и квантовый вакуум – казалось бы, абсолютная пустота. В которой ничего нет. Но на самом деле там постоянный кавардак, и в каждой точке триллион миллиардов раз в секунду рождаются и аннигилируют пары виртуальных частиц! Учёные назвали этот механизм флуктуациями квантового вакуума или просто квантовыми флуктуациями.

(Слово «флуктуация» тоже латинское, и означает «колебание, отклонение, волнообразное движение».)

«Они настоящие!!!»

Сперва физики считали, что квантовый вакуум, квантовые флуктуации и виртуальные частицы – это чистой воды выдумка, игра ума, просто удобная математическая модель для вычислений. Что в реальности виртуальных частиц не существует, что виртуальный фотон или электрон никогда не сможет превратиться в настоящий, проявить реальное наблюдаемое со стороны действие. Но в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир сделал очень важное открытие.

Если в вакууме разместить две отполированные параллельные пластины – причём очень близко – тогда внутри пространства между ними квантовых флуктуаций будет происходить меньше, чем снаружи. И тогда «из ничего», «из вакуума», образуется сила, которая будет притягивать пластины друг к другу! Учёные обрадовались – у них появилась возможность произвести критический эксперимент, то есть понять, являются ли виртуальные частицы чисто виртуальными «формулами на бумажке», или же они всё-таки реальны?

В 1958 году опыт был поставлен. Эффект Казимира действительно существовал! Виртуальные частицы оказались реальностью! Они были настоящими!!! Казавшийся абсолютно пустым вакуум («ничто») оказался буквально «под завязку» нашпигован энергией!

Три синих озера малинового цвета

Но можно ли эту энергию из вакуума каким-то образом «достать», «извлечь»? На помощь пришла астрономия. В 1973 году советские учёные Алексей Старобинский и Яков Зельдович предсказали, что энергию из квантового вакуума могут извлекать особенные звёзды, а именно вращающиеся чёрные дыры!

Идея советских исследователей очень понравилась английскому физику-теоретику Стивену Хокингу – и в 1975 году он снабдил её математическим аппаратом, произвёл расчёты и показал, что «выжимать» вакуум могут любые чёрные дыры (а не только те, которые вращаются). Открытое новое излучение назвали излучением Хокинга.

Как возникает излучение Хокинга от чёрной дыры? Вы, наверное, читали или слышали, что чёрная дыра – это звезда, гравитационные силы которой настолько огромны, что ничто – даже свет! – не может от этой звезды «убежать». Чёрная дыра потому и называется чёрная – что она реально чёрная, чернее самой чёрной черноты. И вдруг – от такой вот дыры – излучение? Но как?! Этого же не может быть...

Ну да. В обычной физике такого быть не может. Но в квантовой – сколько угодно (в какой по счёту раз мы это повторяем?).

У каждой чёрной дыры существует граница, «рубеж, из-за которого нет возврата», который в физике называется горизонтом событий. Всё, что неосторожно попадает под горизонт событий, безжалостно засасывается колоссальным притяжением чёрной дыры, «попадает в сингулярность».

Но чёрную дыру окружает квантовый вакуум, в котором постоянно происходят флуктуации, то есть рождение пар виртуальных частиц. Как мы уже говорили, существуют эти частицы ничтожно малое время. Время-то ничтожно малое, практически неуловимое – но и движутся наши частицы со скоростью света! Поэтому за то самое ничтожное время могут успеть пролететь весьма солидное расстояние – порядка нескольких сантиметров. А этого, оказывается, вполне достаточно для того, чтобы случилось самое удивительное на свете...

Если пара частиц возникла вблизи горизонта событий, то в движении одна из двух частиц может случайно провалиться под горизонт. А вторая – остаться над горизонтом. Тогда первую частицу «засосёт в сингулярность», а вторая полетит в окружающее пространство! И с точки зрения стороннего наблюдателя это будет выглядеть, как рождение чёрной дырой частицы.

А поскольку виртуальные пары частиц в квантовом вакууме рождаются постоянно (повторим: триллион миллиардов раз в секунду), то в итоге получается самое настоящее излучение! У которого есть температура!

Расчёты показывают, что чем массивнее чёрная дыра – тем холоднее её излучение Хокинга. Скажем, чёрная дыра массой в шесть масс Солнца будет «нагреваться» до температуры всего лишь в одну стомиллионную долю градуса. Но если чёрная дыра будет меньшей массы?

Оказывается, чёрная дыра массой в два миллиона раз легче массы нашей Земли из-за излучения Хокинга приобрела бы температуру около 7200 градусов, то есть чёрная дыра была бы раскалённой добела!

«Этого не может быть потому что этого не может быть никогда» (как писал помещик Семи-Булатов в рассказе А.П. Чехова «Письмо к учёному соседу»), однако, друзья мои, это квантовая физика.

И чёрная дыра ослепительно-белого цвета, чёрная дыра ярче Солнца, «три синих-синих озера малинового цвета» – да пожалуйста, сколько хотите. Более того, в процессе излучения такая «мини-чёрная дыра» теряет массу, «испаряется» всё быстрее и быстрее, и, в конце концов, взрывается, выбрасывая энергию, сравнимую со взрывом примерно 1 миллиона водородных бомб!

Кстати, взрыв в 1 миллион водородных бомб (мощностью, скажем, в 1 мегатонну каждая) – это звучит страшно и пугающе... для Земли и людей. А вот для космоса такой взрыв – это так, «мыльный пузырь лопнул», пустячок, имейте в виду.

Полный бензобак пустоты, пожалуйста!

Тем не менее, взрыв – это выделение энергии. А что, если эту энергию получится «обуздать», скажем, как у людей получилось с атомной энергией? Во всяком случае, теоретически создать «чёрно-дырную электростанцию», генератор электричества или даже ракетный двигатель, работающий на «микро чёрных дырах», вполне реально. И уже во многих фантастических рассказах и видеоиграх в том или ином виде можно встретить «сингулярный реактор», «генератор сингулярности», который как раз извлекает «скрытую энергию вакуума» из чёрных дыр сверхмалой массы. Фантастика? Конечно. Однако в науке бывает и так, что рано или поздно фантастика превращается в реальность.

Сколько весит пустота, и сколько энергии в нигде?

Напоследок – страшная тайна и настоящая научная загадка. Многие думают, что наукой раскрыты уже все-все-все тайны природы, что «все важные открытия уже сделаны», и осталось только «уточнить некоторые детали». Так вот, это не так. И одна из самых «кричащих» загадок современной науки – это количество энергии, скрытой внутри вакуума.

Квантовый вакуум содержит энергию – это, надеемся, вы уже поняли. Но сколько именно её внутри?

С одной стороны, энергию в вакууме можно оценить по астрономическим наблюдениям – и они дают значение примерно в 1 джоуль на кубический километр. Подставим это значение в самую знаменитую формулу Эйнштейна (да-да, та самая «е равно эм цэ квадрат»), и получим эквивалентную плотность вакуума: она равняется примерно 1.1 килограмма на 1 миллиард кубических километров.

Вы можете усмехнуться – мало! Вот и нет. Для масштабов космоса это очень большая цифра! Скажем, куб вакуума со стороной, равной расстоянию от Земли до Луны, при такой ничтожной плотности будет весить... примерно 60 тонн! Вот мы и «взвесили пустоту».

И снова загадки...

Но вот в чём загвоздка. Дело в том, что количество энергии вакуума можно посчитать другим путём, теоретически, по обычным формулам квантовой физики из учебника... И вот тут у нас начинается, как говорил капитан Врунгель, «непоправимый скандал»: по формулам это значение оказывается совершенно другим – порядка 10 в 113-й степени джоулей на 1 кубический метр. То есть значение, которое предсказывает теория, и значение, которое наблюдается на практике (в природе), отличаются в...

триллион триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов раз!

Это число, у которого впереди единица, а за ней – сто двадцать нулей. Ничего себе ошибочка! Вот это погрешность! Проблема эта называется «проблемой космологической постоянной», и это одна из самых болезненных нерешённых проблем современной физики. Настоящая жгучая тайна! И какие открытия нам и вообще мировой науке обещает решение этой загадки – трудно даже вообразить. Не желаете ли заняться?

Читайте также:

Как возникла квантовая физика и для чего она нужна?

• Полистать журнал "Лучик" можно здесь

• Подписаться с доставкой в почтовый ящик – на сайте Почты России

• Купить – на Wldberries

• Скачать несколько номеров бесплатно – здесь