Помните фразу Фридриха Ницше “Когда долго всматриваешься в бездну, бездна начинает всматриваться в тебя”? Эта цитата наилучшим образом подходит для описания предмета настоящей беседы. Но начнём, как это водится, издалека.
Представьте себе разогретый брусок или камень. Он состоит из частичек, которые постоянно перемещаются в пространстве. Согласно основам молекулярно-кинетической теории, мера движения этих частиц описывается температурой. Конкретные значения этой температуры определяют тепловую энергию системы. Исходя из классической (слово “классическая” мы будем использовать для стандартных представлений из школьного учебника физики) теории, возможно такое состояние, что при нулевой температуре по шкале Кельвина наступает абсолютный покой. Все частицы замирают и перестают двигаться. Тепловые процессы полностью останавливаются. При этом энергия такой системы тоже нулевая.
Теоретически возможно такое состояние, когда классическая система (наш многострадальный брусок или камень) будет обладать нулевой энергией. Говоря простым языком – это полное отсутствие энергии. Теперь переходим к самому интересному. А как дела обстоят в квантовых системах?
В этой области существует такое невероятно интересное понятие, как энергия нулевой точки. И, забегая вперёд, скажу, что по сути это энергия абсолютной пустоты, из которой возможно даже “сгенерировать” новые частички.
Энергия нулевой точки относится к минимально возможной энергии, которую может иметь квантово-механическая система, даже когда она находится в своем основном состоянии (состоянии с минимальной энергией).
В отличие от классических систем (как наш брусок из примера), где система при нулевой температуре имела бы нулевую энергию, квантовые системы все еще обладают некоторой остаточной энергией из-за присущей квантовой механике неопределенности.
Эту энергию часто называют квантовыми флуктуациями или энергией вакуума и с ней связано много интересных концепций, теорий и гипотез.
Откуда взялась нулевая точка?
В квантовой механике принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что мы никогда не сможем знать с абсолютной точностью и положение, и импульс частицы. Это означает, что даже в вакууме (пространстве без материи) частицы и поля все еще испытывают флуктуации энергии (любое случайное отклонение какой-либо величины называется флуктуацией). По сути это одно из объяснений природы существования нулевой точки.
Поскольку всё неопределённо, мы не можем говорить о “стабильном” или классическом состоянии частицы. Тут мысль пересекается с представлениями о том, что частицы есть результат флуктуаций вакуума, а потому и вакуум никогда не будет пустым. Следовательно, если в вакууме есть каким бы оно ни было поле, то это поле даже без порождения конкретной частицы, может произвольно вибрировать (даже без порождения новых частиц) и это его основное свойство.
Флуктуации могут приводить к кратковременному появлению и исчезновению так называемых виртуальных частиц. Эти частицы появляются и исчезают, заимствуя энергию из вакуума, а затем возвращают ее в течение короткого времени, как это разрешено квантовыми правилами. При этом виртуальные частицы при некоторых условиях способны порождать вполне себе реальные частички. Например, вспомните про рождение пар. Вот вам и энергия у пустоты. Вакуум пространства на самом деле не пуст, а заполнен флуктуирующими полями и частицами. Энергия этих флуктуаций и называется энергией вакуума или энергией нулевой точки. И вы наверное помните про не совсем-таки понятную космологическую постоянную. Я делал небольшой ролик на эту тему, который подвергли во многом правильной критике, но не уловили основную идею повествования. Смысл был в описании странной логики появления многих постоянных. Эйнштейн, прорабатывая общую теорию относительности, установил, что “не вытанцовывается оно”. Если у вакуума нет энергии, то как Вселенная будет расширяться? Поэтому, в систему расчёта была введена некоторая величина, которая выравнивает это разногласие. Она была названа космологической постоянной и её происхождение долгое время занимало умы физиков. Изучение вопроса порой приводило к смешным ситуациям, как это было с Эддингтоном. Про этот забавный случай стоило бы рассказать отдельно, но вспомним кратко суть проблемы. Могу тут путать последовательность и конкретные факты, однако главное осознать комичность ситуации. Эддингтон притянул за уши одно значение к другому и довольный сказал, что нашёл объяснение конкретному значению космологической постоянной. Группа молодых физиков повторила этот финт и взяла за основу некоторое странное соотношение несвязанных физических констант в некотором новом исследовании, используя результаты Эддингтона. Дело дошло до того, что опубликованная ребятами статья чуть ли не на Нобелевку была выдвинута. В затянувшуюся шутку пришлось вмешаться и авторов попросили отозвать шуточную статью. Позже также поступил и Эддингтон, признав, что не был объективен. Но вернемся к основному вопросу. Энергия вакуума как раз и может быть источником космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в уравнениях общей теории относительности. Иногда космологическая постоянная рассматривается как форма темной энергии, ответственная за ускоренное расширение Вселенной. Правда ли, что энергию вакуума можно “пощупать”? Традиционный вопрос у читателя обычно – а как всё это можно потрогать и увидеть? В случае нулевой точки всё довольно занятно. Есть широко известный косвенный эффект, который может продемонстрировать существование энергии нулевой точки или энергии абсолютного вакуума. Вы слышали про эффект Казимира? Когда две незаряженные параллельные металлические пластины помещаются очень близко друг к другу в вакууме, они испытывают силу притяжения из-за квантовых флуктуаций электромагнитного поля между ними. Этот опыт демонстрирует, что вакуум не пуст, а заодно подсказывает, что он обладает энергией. Квантовые флуктуации в вакууме оказывают давление на пластины. Поскольку определенные длины волн виртуальных частиц исключены между пластинами (из-за малого зазора), давление снаружи пластин больше, чем между ними, что приводит к силе, которая толкает пластины друг к другу. Какое значение у нулевой точки? У концепции нулевой точки есть гипотетическое прикладное применение. Более того, благодаря этому можно объяснить такие сложные явления, как рождение пар или даже самопроизвольное появление частиц. Некоторые спекулятивные идеи предлагают возможность использования энергии нулевой точки как почти безграничного источника энергии. Однако это все еще гипотеза и логика больше похожа на фантастику. Если нулевая энергия действительно существует в каждой точке вакуума, ее кумулятивный эффект может оказать большое влияние на геометрию пространства-времени, как описано в общей теории относительности Эйнштейна. Более того, учитывая, что энергия нулевой точки теоретически может оказывать отталкивающее действие, она может быть связана с явлением космической инфляции (быстрое расширение ранней Вселенной) или текущим ускоренным расширением, приписываемым темной энергии. Это невероятно интересная концепция. Как обычно она трудно объяснима и ломает нашу привычную логику. Но при этом при реальном существовании такого явления это многое объяснит. Да и сам факт существования энергии у ничего очень сильно впечатляет. Традиционно, приглашаю всех любителей физического познания в Telegram-канал моего проекта.
