Так ли "пуст" вакуум как нам кажется?
Мы привыкли понимать слово «вакуум», как область пространства, где полностью отсутствует какая-либо материя, однако по-настоящему пустого пространства в нашей вселенной попросту не существует. А всё из-за одного наблюдения, который в 1927 году сделал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Выраженное в математической формуле, данное наблюдение получило название «принцип неопределённости» или даже «принцип неопределённости Гейзенберга».
У квантовой механики есть несколько отцов-основателей, однако именно Вернер Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за создание квантовой механики...».
Простыми словами, эта формула значит следующее: чем точнее мы будем знать положение квантового объекта в пространстве, тем меньше мы будем знать о моменте этой частицы и наоборот. Сам по себе, данный принцип является краеугольным камнем в фундаменте квантовой механики.
Давайте разбираться
На сегодняшний день, единственной экспериментально-подтверждённой теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя), является квантовая теория поля (КТП). Согласно этой теории, пространство пронизано различными квантовыми полями, своё поле есть для каждой частицы. Различные энергии полей заставляют их колебаться и вибрировать с разной интенсивностью, и эти пики возбуждения и есть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны и пр.
Поскольку поля являются квантовыми, это значит, что возбуждение поля может происходить не с какой угодно энергией, а лишь «порциями» или квантами – целочисленными множителями какого-то базового минимального уровня. Иными словами, уровни энергии можно представить определёнными ступенями, чем выше «ступенька», тем больше частиц находится в данном квантовом состоянии. Вся «математика» квантовой теории поля состоит из путешествий вверх и вниз по этим ступеням при помощи операций создания и аннигиляции, помогают в которых диаграммы, которые придумал американец Ричард Фейнман – по-своему легендарная фигура и не только в физике.
Пример – диаграмма аннигиляции электрон-позитронной пары, которая порождает фотон, который, в свою очередь, снова распадается на электрон-позитронную пару. Просто следим за стрелочками и смотрим, как происходит взаимодействие частиц.
Самый низкий энергетический уровень нашей «лесенки» не должен иметь никакой энергии, что означает, что в данном квантовом состоянии отсутствуют какие-либо частицы, это состояние вакуума. В идеальном вакууме, энергия всех полей всё время должна находиться в состоянии вакуума, но тут на сцену выходит принцип неопределённости Гейзенберга. Мы видели, что невозможно одномоментно зафиксировать положение и момент частицы, но у принципа неопределённости есть одно следствие – оотношению неопределённости подвержены не только момент и скорость, но и любые две сопряжённые переменные. В общем случае, и в отличие от случая координаты и импульса, обсуждённого выше, нижняя граница произведения «неопределённостей» двух сопряжённых переменных зависит от состояния системы. Иными словами, соотношение неопределённости можно также применить и к энергии со временем, в той интерпретации, что Δ E – максимальная точность определения энергии квантовой системы, достижимая путём процесса измерения, длящегося время Δ t :
Чем точнее мы будем стараться определить временной интервал, тем меньше определённой будет энергия квантового поля в заданном отрезке времени, квантовое поле будет размыто по всем энергетическим состояниям. В вакууме, наиболее вероятный уровень энергии – нулевой, но иногда поле будет содержать достаточно энергии, чтобы создать частицу, будто бы «из ничего». Такие частицы называются «виртуальными частицами». Квантовая теория поля рассматривает подобные виртуальные частицы как основу и связующее звено всех взаимодействий в нашей вселенной. Например, электромагнитное взаимодействие рассматривается как обмен виртуальными фотонами между двумя заряженными частицами.
Однако, законы сохранения должны соблюдаться и здесь, и виртуальные частицы обычно создаются парами частица-античастица. И существовать такие пары могут лишь в тот краткий миг времени, отведённый принципом неопределённости, и чем выше энергия виртуальной частицы, тем меньший период времени она может существовать. Это ограничение и определяет дальность действия каждого из фундаментальных взаимодействий. Например, безмассовый фотон может иметь крайне малые уровни энергии, поэтому может существовать неопределённо долго, достаточно долго, чтобы передавать электромагнитное взаимодействие на любое расстояние. В случае с глюоном же, требуется более высокая энергия на его создание, что означает, существует предел для перемещения виртуального глюона, что делает сильное ядерное взаимодействие (переносчиком которого и являются глюоны) столь ограниченным по расстоянию.
Кто-то может возразить, что виртуальные частицы – лишь математический трюк, костыль, которым подпирают теорию (хотя надо отметить, что КТП делает предкрасные предсказания и описания явлений в своей области), но как же «поймать» виртуальную частицу, которая по определению существует между измерениями, живёт тогда, когда мы не смотрим?
Первые намёки на них мы получили в 1947 году Уиллисом Лэмбом и его аспирантом Робертом Ризерфордом (нет, не тем Резерфордом), которые заметили слабое различие между энергиями стационарных состояний ²S₁⸝₂ и ²P₁⸝₂ атома водорода. Позднее его назовут Лэмбовский сдвиг, а самому Лэмбу дадут Нобелевку, однако на то время по модели Бора, данные уровни должны были иметь идентичные уровни энергии. Данное открытие заставило учёных исследовать глубже данный феномен. Позднее американец немецкого происхождения Ханс Бете объяснил данный сдвиг флуктуациями энергии вакуума.
Виртуальные частицы и анти-частицы образовываются в пространстве между ядром и электронами, после чего ориентируются по силовым линиям электрического поля, что в какой-то степени загораживает электроны от положительного заряда ядра, что и влечёт за собой слегка разную энергию электрнов:
Другим способом поохотиться на виртуальные частицы является обнаружение их общего влияния на вакуум. Если квантовые поля находятся в постоянном возмущении из-за непрерывного появления и аннигиляции виртуальных частиц, то «нулевая энергия» (энергия нулевого уровня) данных полей будет ненулевой и абсолютно пустой объём пространства будет иметь какое-то количество реальной энергии – энергии вакуума.
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир придумал замечательный способ обнаружить данную энергию. Он предложил расположить две проводящие пластины, расположенные очень близко друг к другу таким образом, чтобы между ними могли существовать фотоны только определённой частоты (возьмите гитарную струну определённой длины – она будет резонировать только на определённые звуковые частоты). Нерезонирующий фотон не сможет существовать между пластинами, что вызовет пропорциональное уменьшение энергии вакуума между пластинами, однако на внешней поверхности пластин могут существовать фотоны с любой энергией, в результате чего возникнет сила, сдавливающая пластины ближе друг к другу. Эффект Казимира был впервые успешно измерен лишь в 1984 году.
Вне зазора, сформированного пластинами, могут существовать частицы с любыми частотами. Между пластинами, возможны частицы лишь с определённым набором частот.
Ни эффект Казимира, ни сдвиг Лэмба не позволяют оценить количество энергии вакуума в абсолютном выражении. Данные эксперименты способны оценить лишь относительную разность уровней энергии между между разными состояниями, поэтому возникает вопрос, а сколько вообще энергии содержится в вакууме? На данный момент наука пока не знает ответа на этот вопрос. Одним из ответов может быть ускорение расширения вселенной – тёмная энергия может быть энергией вакуума.
Австралийским учёным из центра исследования субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды под руководством Дерека Лайнвебера удалось создать компьютерную модель флуктуаций, происходящих в крохотном объёме пространства 2,4×2,4×3,8 фемтометра (1×10⁻¹⁵ метра). Анимация ниже построена при помощи данной модели. Уровень энергии закодирован в цвете, при этом самый низкий уровень энергии сделан прозрачным, так, чтобы мы могли видеть, что происходит внутри. Анимация смоделирована со скоростью 1×10²⁴ кадров в секунду.
Анимация Центра исследований субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды (Австралия)
Именно так выглядит пустое место или вакуум. В пустоте непрерывно происходят подобные флуктуации, потому что даже в самом разреженном вакууме межзвёздного или даже межгалактического пространства всё равно присутствует энергия. Это может показаться странным, но для создания истинного вакуума с минимально-возможным уровнем энергии, этой энергии придётся затратить гораздо больше. И даже если бы нам удалось создать подобный истинный вакуум, он бы оказался крайне нестабилен, словно гвоздь, сбалансированный вертикально на своём острие – малейшая помеха и энергия снова хлынет в него, возобновляя флуктуации.
P. S. Всех пикабушников с наступающим новым годом! В следующем посте будем разбираться с тем, кто такие кварки.