Познавательно

Если представим, что атомное ядро увеличилось до размеров апельсина, тогда электроны будут выглядеть как точки диаметром не толще человеческого волоса, стремительно мчащиеся по орбитам, удаленным от ядра на несколько километров! А огромное пространство между ними — чем оно заполнено? Ничем, пустотой?!

На языке науки это «ничто» называют физическим вакуумом. О том, что представляет собой вакуум с точки зрения современной физики, мы и поговорим сегодня.

ВЕЗДЕСУЩИЙ ЭФИР

Условимся сразу: речь пойдет не о техническом вакууме — разреженном газе очень низкого давления, находящем широкое применение в разного рода электронных приборах: от электрической лампочки до кинескопа. Давление газа в них обычно составляет 10^-6—10^-7 мм рт. ст. Но при этом в одном кубическом сантиметре объема содержится, ни много, ни мало — несколько миллиардов атомов или молекул газа! Более глубокий вакуум требуется в ускорителях — до 10^—10 мм рт. ст. Но и в этом случае в одном кубическом сантиметре все еще остается до миллиона частиц. Даже самый глубокий вакуум — космический — нельзя, строго говоря, назвать пустотой: на каждый « кубик » межзвездного пространства в среднем приходится две-три частицы.

Предмет же нашего разговора — пустота, пространство, в котором мы не видим ничего, ни одной частицы, ни одного кванта света. Казалось бы, о чем говорить: ничто есть ничто! Что можно сказать ни о чем? Такое « абсолютное ничто », полное отсутствие какой бы то ни было материи и вообразить-то невозможно.

Поэтому нам придется слегка погрешить против истины и наглядности ради заменить физический вакуум его самой близкой моделью — космическим вакуумом.

Из невероятных далей космоса к нам приходит свет звезд. С помощью радиоволн Земля поддерживает связь с космическими кораблями. Все это возможно потому, что и свет и радиоволны (и то и другое есть не что иное, как электромагнитные колебания) очень хорошо распространяются в космическом вакууме. Но разве могут волны двигаться через ничто?

Вспомните, звук, то есть упругие колебания частиц вещества, хорошо передается через воздух, воду, твердое тело. И совсем не распространяется в пустоте, в которой нет вещества, а значит, и колебаться в ней нечему. Или волны на поверхности воды? Уберите воду, исчезнут и волны.

Выходит, для распространения волн нужна какая-то материальная среда, переносчик колебаний. Не являются исключением и электромагнитные волны — им тоже требуется посредник. Значит, несмотря на отсутствие вещества, вакуум все-таки не абсолютно пуст?!

Но чем же он тогда заполнен, если не веществом? Этот вопрос волновал умы мыслителей уже в глубокой древности. По мнению Анаксимандра, Демокрита и их последователей, вакуум (они называли его амером, или апейроном) есть материальная среда, заполняющая собой мировое пространство, а атомы вещества представляют собой неделимые сгустки вакуума (апейрона, амера) — что-то вроде плотных комочков, которые иногда попадаются в киселе.

На более строгом физическом языке очень похожую идею впервые сформулировал во второй половине XVII века голландский ученый Христиан Гюйгенс. Мировое пространство, полагал он, пронизано эфиром — особой материей, невесомой и прозрачной. Эта материя и служит носителем световых волн, подобно тому, как воздух является носителем звука. Вслед за Гюйгенсом английские физики Фарадей и Максвелл рассматривали эфир уже не как носитель световых волн, а вообще всех типов электромагнитных полей. В отличие от обычной весомой материи, которая присутствует лишь в некоторых областях пространства и яв ляется непроницаемой, эфир вездесущ, безграничен и проницаем.

Так впервые в истории естествознания вакуум (эфир) был наделен вполне определенными физическими свойствами. Теперь это уже не «абсолютное ничто», а более или менее конкретное «нечто». Позволив довольно сносно решить проблему распространения электромагнитных полей, понятие мирового эфира очень прочно укоренилось в сознании физиков XIX столетия. Настолько прочно, что еще в начале XX века продолжались попытки экспериментально обнаружить эфирную материю.

Неудачи множества таких попыток толкнули некоторых физиков на крайнюю меру: они объявили, что эфир в принципе не наблюдаем никакими приборами.

МОРЕ ДИРАКА

Когда появилась теория Эйнштейна, внимание физиков переключилось на усвоение свойств мирового пространства-времени. А также на их развитие (или борьбу с ними). Может быть, по этому очень многие быстро за были об эфире.

Забыли, но не все, в том числе и сам Эйнштейн. Его теория хорошо объясняла геометрическую структуру мирового пространства, его, так сказать, архитектуру. Но сказать, из какого материала выстроено это грандиозное здание, она не могла. Более того, появившаяся в 1916 году теория гравитации Эйнштейна предсказала, что в пространстве, кроме электромагнитных волн, могут распространяться еще и гравитационные волны. Однако что же представляет собой материальная среда, то «море», по которому распространяются эти волны?

Говорят: «Свято место пусто не бывает». Квантовая теория строения вещества и экспериментальные открытия, которыми сопровождалась физика 20—30-х годов нашего столетия, принесли с собой новые идеи о строении вещества и вакуума. Разумеется, разглядеть непосредственно структуру вакуума не удалось, так же как и «пощупать», из чего он сделан. Вакуум по-прежнему был везде и нигде.

Первым по-новому взглянуть на вакуум сумел в 1931 году молодой тогда английский физик Поль Дирак. Решая задачу о движении одиночного электрона в пространстве, свободном от каких-либо других частиц, полей, сил и т. д., он получил для энергии электрона два значения — положительное и отрицательное. С положительной энергией было все ясно, но что означает отрицательная энергия? Каков ее физический смысл?

Конечно, Дирак вполне мог бы поступить, как поступаем мы, вычисляя, например, длину гипотенузы треугольника по теореме Пифагора. Получая два значения для, корня квадратного — положительное и отрицательное, мы отбрасываем последнее как бессмысленное. Отрицательной длина отрезка быть не может? Так же как физически бессмысленной может показаться отрицательная энергия.

И все же Дирак попытался осмыслить полученное значение. Что, если отрицательная энергия вовсе не такая уж бессмыслица? Быть может, второе решение принадлежит некоему зеркальному двойнику электрона? Так появляется безумная на первый взгляд мысль. Что, если вакуум вовсе не пуст, а, наоборот, заполнен до отказа электронами с отрицательными энергиями? Получается нечто вроде бесконечно глубокой ямы с бесчисленным множеством ячеек, в каждой из которых сидит по электрону. Выпрыгнуть из этой ямы электрон может, лишь получив достаточную для этого энергию — тем большую, чем глубже он сидит. Когда это все-таки происходит, электрон оказывается в нашем реальном мире, а в вакууме, в том месте, где он сидел, образуется дырка. В этой точке возникает положительный заряд, равный по величине заряду электрона.

То же и в вакууме. Дырка в нем — самая настоящая частица, ничуть не менее реальная, чем электрон. Так впервые был предсказан позитрон — антипод электрона. Из вакуумного небытия они рождаются только парами. Побродив в нашем мире, электрон может вернуться обратно в вакуум. Но сесть он может только в свою ячейку, все другие ведь заняты. Поэтому наш скиталец должен повстречать дырку, то есть позитрон, и провзаимодеиствовать с ним. После этого и электрон и дырка исчезнут, растворятся в вакууме.

Ответил Дирак и на вопрос, почему электроны в вакууме не наблюдаемы. Увидеть электрон можно лишь в том случае, если он как-то провзаимодеиствует с физическим прибором, подаст о себе сигнал. Но любое взаимодействие тел есть изменение их энергии. Взаимодействуя с прибором, электрон в вакууме должен как-то изменить свою энергию, передвинуться с прежнего места в яме на другое. Но куда? Яма-то полна до отказа, все ячейки заняты. Вот и приходится электрону сидеть в своей ячейке и оставаться незамеченным.

В 1932 году теоретическое предсказание Дирака блестяще подтвердилось в эксперименте: на одной из фотопластинок, экспонированных в космических лучах, был обнаружен след частицы той же массы, что и электрон, но заряженной положительно. Так позитрон стал полноправным членом семейства элементарных частиц. Позднее список античастиц пополнился антипротонами, антимезонами, антигиперонами и множеством других анти.

Но если протон имеет свою античастицу, значит, должен существовать и вакуум, наполненный еще не родившимися протонами. Точно так же, как и нейтронный вакуум, мезонный и так далее. Вот так пустота! Так мало-помалу физический вакуум обретал свое материальное содержание, разрешая противоречия, с которыми не в силах был справиться старый эфир в классической физике XIX века.

ВАКУУМНАЯ ПЕНА

«Безумные» идеи Дирака дали толчок идеям совершенно фантастическим.
Представьте, что мы вооружились необычайно мощным микроскопом, дающим возможность заглянуть в мир невероятно малых масштабов — во много миллиардов раз меньших по сравнению с размерами элементарных частиц. Если бы такое было возможно, мы увидели бы сложную мелкозернистую структуру наподобие мыльной пены. Эта «пена» и есть вакуумная материя, которая, по оценкам ученых, должна обладать огромной плотностью — 10⁹³ граммов в кубическом сантиметре. Эту гигантскую цифру легче прочувствовать, если представить, что в одном кубическом микроне спрессованы десятки триллионов метагалактик!

Как же спрятана вся эта колоссальная масса, и спрятана так надежно, что для нас вакуум выглядит абсолютно пустым? Ответ на этот вопрос следует искать в так называемом гравитационном дефекте массы. Бесконечно большая плотность вакуума порождает бесконечно сильное гравитационное поле, которое так искривляет пространство, что энергия вакуума оказывается как бы закупоренной в ячейках «пены». Поэтому мы и не можем обнаружить ее никаким прибором — вакуум выглядит для нас пустым.

(Нечто отдаленно похожее происходит при коллапсе — гравитационном сжатии — массивной звезды, когда сильное гравитационное поле замыкает пространство, в котором скрывается сжимающаяся звезда со всей своей массой, энергией излучения. Образуется «черная дыра», которая нам не видна и для нас как бы не существует.)
В некоторых точках закупорка энергии оказывается все же не совсем надежной, и часть энергии выплескивается в наш мир. Ячейка «пены» как бы лопается, и на фоне пустого пространства появляются малые сгустки (порции, кванты) энергии в виде элементарных частиц.

Так что с точки зрения физики вакуума все элементарные частицы, ядра, атомы и даже звезды и галактики есть не что иное, как результат квантовых флуктуации вакуума — не более чем брызги от волн, бушующих в океане энергии вакуума. Причем в сравнении с гигантской плотностью вакуума теперь уже обычная наша материя выглядит бесконечно разреженной, почти пустой!

По мере того как физика продвигалась в глубь вещества, в мир все более мелких масштабов, постоянно открывались все более интенсивные источники энергии. В ядре оказалась скрытой энергия гораздо большая, чем в атоме. Может быть, в протоне, сложенном из кварков, ее еще больше? А в вакуумных ячейках, в триллионы раз более компактных, чем протон, энергии соответственно в триллионы раз больше?
И совсем не исключено, что когда-нибудь человек научится «раскупоривать» эти ячейки и пользоваться беспредельными запасами энергии вакуума.

Ю. Верин
Смотрите также: Использование тёмной энергии