Энергия вакуума⁠⁠

Современные научные знания о физическом вакууме отличаются от традиционных представлений как об абсолютно пустом пространстве, где нет ничего. Сейчас мы уже знаем, что вакуум – очень непростая вещь: в нем есть поля, которые способны взаимодействовать с внешним полем, а также в этих полях происходят спонтанные процессы даже без приложения внешней силы, называемые флуктуациями. Данные флуктуации приводят появлению парных квантов полей (частица-античастица), которые принято называть виртуальными частицами, поскольку эти процессы происходят практически незаметно для нас. По крайней мере, обыватель еще не привык связывать известные наблюдаемые явления в макромире с этими процессами в вакууме.

Совсем иначе обстоят дела с элементарными частицами в масштабах Комптоновской длины волны. Для электрон-позитронных пар это немногим больше 2,42*10-12 м, а для других частиц еще меньшие порядки. Вакуум буквально “кипит” абсолютно непредсказуемым образом, это явление связано постоянно с растущей энтропией вселенной и выводится из формулы неопределенности Гейзенберга.

Возможно рассчитать энергию подобных колебаний, которые называют нулевыми колебаниями. Энергия вакуума – наименьшая возможная, однако она не является нулевой. На космологическом уровне влияние этой энергии проявляется в равномерном отталкивании реальных (не виртуальных) частиц во все стороны, что проявляется в виде инфляции Вселенной. Частицы, расположенные на достаточно близком расстоянии друг от друга, компенсируют влияние отталкивания благодаря действию полей: сильному, слабому, электромагнитному, гравитационному, возможно другим неизвестным нам полям и эффектам их взаимодействия. Поэтому атомы не распадаются, не теряют электроны и т.д. Правда, это лишь одна из теорий, объясняющих инфляцию, возможно для объяснения этого эффекта справедлива другая теория, либо имеет место проявление дуализма теорий, которые объясняют одно и то же явление по-разному лишь потому, что являются частными случаями более общей теории.

Нас же интересует, существует ли способ практического использования взаимодействия с энергией вакуума. Прежде всего, нужно понять, что на практике всегда используются не сами физические законы, а их эффекты, проявления в нашем мире.

В данный момент существует несколько известных науке физических эффектов, объясняемых взаимодействием с энергией вакуума:

Эффект Казимира, проявляющийся во взаимном притяжении незаряженных тел, расположенных на определенных резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями)

Эффекты рождения виртуальных частиц на космологическом уровне (в масштабах вселенной) проявляется в виде отталкивания. Однако, благодаря возможности наложения волн друг на друга (явлению интерференции), в определенных условиях это отталкивание может проявлять себя во взаимном притяжении реальных частиц друг к другу, либо наоборот, их отталкивании. В качестве иллюстрации эффекта Казимира обычно приводят взаимное притяжение двух близкорасположенных кораблей в море, а также образовании мусорных островов.

Эффект Казимира также ответственен за теплообмен в вакууме без излучения за счет обмена кинетической энергией с виртуальными частицами на расстоянии до нескольких сотен нанометров, что является огромным расстоянием для квантового микромира. Подобный "крик" через вакуум хоть и возможен, но затихает очень быстро, обратно пропорционально шестой степени от расстояния.

Лэмбовский сдвиг, проявляющийся в небольших отклонениях расщеплении спектральных линий атома. Взаимодействие электрона с виртуальными частицами изменяет силу кулоновской связи электрона с ядром атома, что вызывает разницу в энергии переходов с одного квантового уровня на другой, вопреки предсказаниям классической релятивистской квантовой механики утверждающей, что энергии состояния с одинаковым главным квантовым числом и одинаковым квантовым числом полного углового момента импульса должны совпадать.

Спонтанное излучение. Ответственно за большую часть света, который мы видим вокруг нас. Столь привычное для нас испускание фотона при переходе квантово-механической системы из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой (из возбужденного состояния в стабильное) также объясняется взаимодействием атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме.

Излучение Хокинга. Возникает при взаимодействии гравитационного поля на горизонте событий черной дыры со всеми другими известными науке полями. Виртуальные частицы, которые образуются в данном явлении, становятся вполне реальными, поскольку их парная античастица уходит за горизонт событий, с которой они не могут аннигилировать. Безмассовые частицы, передвигающиеся со скоростью света, способны преодолеть поле тяготение черной дыры, и становятся частью излучения Хокинга. Это излучение поляризуется гравитонами, испускаемыми черной дырой, и несет в себе информацию, которой обладает падающая в черную дыру реальная материя. Излучение Хокинга также ответственно за “испарение” черных дыр, их время жизни становится конечным, хоть и на очень длительных временных промежутках. Роль сверхмассивных черных дыр в эволюции вселенной огромна – это А) настоящие фабрики по расщеплению вакуума Б) накапливают в себе все возрастающую энтропию вселенной, до тех пор, пока есть падающее на них вещество В) преобразуют все виды энергии других полей в энергию гравитационного поля, удерживающее вещество и управляющее механизмом звездообразования в галактиках.