«Пустота возможна лишь как понятие в сознании человека: природа не терпит пустоты» (Аристотель)
«В одном колесе тридцать спиц, но пользуются колесницей из-за пустоты между ними. Вазы делают из глины, но пользуются пустотой в вазе. В доме пробивают окна и двери, но пользуются пустотой в доме. Вот это польза бытия и небытия» (Лао-цзы)
«Нет ничего более богатого по своим возможностям, чем пустота» (Станислав Лем)
«Внутри атома нет пространства-времени» (Вернер Гейзенберг)
Физический вакуум – «нематериальная» сущность, вызывающая особый интерес как у физиков, так и у мистиков, да и у простых людей тоже. С одной стороны, до сих пор распространено донаучное понимание вакуума как пустоты – отсюда мифы о том, что Вселенная – это в основном пустое пространство, все вещи пусты, мы сами состоим из одной пустоты, и вообще материи не существует – всё как по канонам буддизма. С другой стороны, многим известно о том, что вакуум состоит из «виртуальных» частиц, и это порождает другие мифы: вакуум – не пустота, а бесконечное море энергии, которую можно бесплатно извлечь, или вакуум – вместилище потенциально возможного, он содержит в себе все вещи в непроявленном виде. Естественно, находятся изобретатели вечных двигателей на вакуумной энергии и техник материализации предметов из ничего, готовые поделиться своими разработками за установленную плату. В данной статье я не только развею подобные заблуждения, но и расскажу о научно обоснованных способах получения энергии вакуума. Также мы выясним, насколько реальны «виртуальные» частицы и при каких условиях они могут становится ещё более реальными.
Сколько у нас внутренней пустоты?
Если вы более-менее ориентируетесь в масштабах Вселенной, вы наверняка удивлялись тому, насколько она пуста. Расстояния между галактиками просто невообразимы: на протяжении миллионов световых лет нет ничего, кроме пустого пространства с плотностью вещества менее 1 атома на м3. Хотя это и кажется чистым вакуумом, в нём содержится 90% всего барионного вещества нашей Вселенной – обычных атомов, не говоря уже о тёмной материи и тёмной энергии. В самих галактиках, на которые приходится только 10% барионного вещества, среднее расстояние между звёздами – несколько световых лет, или порядка 10 трлн км. Даже наши родные светила – Луна и Солнце – удалены от Земли на довольно внушительные расстояния – соответственно 400 тыс и 180 млн км. Если все 200 млрд звёзд нашей галактики плотно упаковать (в чёрную дыру, разумеется), они поместятся в пределах орбиты Нептуна.
Впрочем, даже те вещи, которые находятся совсем близко и кажутся твёрдыми, на самом деле очень зыбкие. Все помнят из школы изображение атома наподобие Солнечной системы, с ядром-солнцем и вращающимися по орбитам планетами-электронами. Размеры атома – порядка 1 ангстрема (10-10 м), а его ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса, в 100000 раз меньше – порядка 10-15 м. Если увеличить ядро до размеров макового зёрнышка, весь атом будет размером с футбольное поле. Остальное – пустота. Но и это ещё не всё. Заглянув внутрь атомного ядра, мы увидим, что оно состоит из протонов и нейтронов, а те – из кварков, которые считаются точечными частицами. Масса этих кварков составляет всего 1% от массы нуклонов (протонов и нейтронов), а всё остальное – это кинетическая энергия кварков и энергия связывающих их глюонов. Таким образом, можно прийти к логичному заключению: Вселенная на 99,9999999999999% состоит из…ничего. Неужели наука переоткрыла нам буддийскую доктрину шуньяты – пустотности всего сущего?
Ещё один забавный и часто повторяемый «научный факт» — тела никогда не соприкасаются друг с другом. Говорят, мы никогда ничего не касаемся, а ощущаем только силу электромагнитного отталкивания электронов в атомах. Следовательно, поцелуи, обнимашки, рукопожатия и даже мордобой не считаются соприкосновением тел, поскольку ни одна ваша частица физически не сталкивается с частицами другого человека. Интересно, как авторы этого мема представляют себе реальное соприкосновение тел – как столкновение ядер атомов? В таком случае мы должны быть сдавлены гравитацией как минимум до плотности солнечного ядра, чтобы ионы водорода прижимались друг к другу, преодолевая силу кулоновского отталкивания одинаковых зарядов. А ещё лучше довести вещество до кондиции нейтронной звезды, где электроны буквально вдавливаются гравитацией в протоны и превращают их в плотно упакованные нейтроны. Если сжать вещество до такой плотности, все 8 млрд человек можно уместить в объёме сахарного кубика.
И всё же, если у нас внутри такая пустота, почему же мы ощущаем твёрдые тела на ощупь, а не проходим сквозь них? Почему мы твёрдо стоим на ногах, а не проваливаемся сквозь пол? Почему мы видим сплошные поверхности, если фотоны света должны проходить сквозь них и не отражаться? Почему лобовое столкновение двух автомобилей имеет сокрушительные последствия для них обоих, тогда как две сталкивающиеся галактики просто проходят друг сквозь друга, без единого столкновения звёзд.
Дело здесь не только в непропорциональности расстояний между отдельными ядрами атомов и звёздами. Просто на уровне атомов основной действующей силой является электромагнетизм, а на космических масштабах балом правит гравитация. Существенная разница в природе этих сил определяет и различия в поведении объектов в зависимости от их размера. Гравитация только притягивает, а электромагнетизм притягивает противоположно заряженные частицы и отталкивает одинаково заряженные. У твёрдых тел есть кристаллические решётки, упорядочивающие атомы или молекулы в повторяющуюся структуру. Они имеют вполне определённые границы и ничего не пропускают благодаря силе кулоновского отталкивания. И эта сила, как мы выясним далее, сводится к обмену «виртуальными» частицами вакуума.
Миф о внутренней пустоте основан на устаревшей планетарной модели атома, предложенной Нильсом Бором в 1913 г. В 1926 г. её сменила современная квантовая модель атома. Теперь мы знаем, что электрон – не точечная частица, вращающаяся по орбите вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца. С точки зрения квантовой механики, электрон проявляет свойства частицы только когда за ним наблюдают, т.е. при взаимодействии с измерительным прибором. Всё остальное время он описывается волновой функцией, которую часто визуализируют размазанным в пространстве облаком вероятностей. Орбиталь электрона в атоме – это не планетарная орбита. Электронные орбитали атома водорода выглядят вот так:
Чем ярче облако, тем выше вероятность обнаружить там электрон. Но даже в тёмных местах эта вероятность не равна нулю. Плотность вероятности распределена неравномерно: в масштабах порядка ангстрема она намного выше нуля, а на больших расстояниях от ядра экспоненциально убывает. Поэтому вероятностью обнаружить электрон в другой галактике можно пренебречь. Граница атома – понятие условное, её можно провести где угодно в зависимости от того, какой плотностью вероятности мы готовы пренебречь. Отсюда и разные оценки доли «пустоты» в веществе. На «фотографиях» атомов, сделанных электронным микроскопом, мы видим усреднённые распределения рассеянных на атоме электронов. В молекулах атомы обмениваются своими электронами, орбитали электронов пересекаются, вероятности их местонахождения перераспределяются, и о пустоте говорить уже не приходится.
Почему же отдельные частицы могут заполнять своим облаком вероятностей целую комнату и даже выходить за её пределы путём квантового туннелирования, а макроскопические объекты, состоящие из таких же частиц, всегда локализованы в определённом месте? Всё дело в квантовой декогеренции, или рассогласованности состояний частиц – они находятся в смешанных состояниях, постоянно взаимодействуя со средой, поэтому не проявляют заметных волновых свойств. Но если макроскопический объект изолировать в вакууме при температуре около абсолютного нуля, его местоположение станет достаточно неопределённым, чтобы это можно было обнаружить высокоточными приборами. Например, в интерферометре LIGO с помощью лазеров зафиксировали квантовое колебание 40-килограммового зеркала в пределах миллионной миллиардной миллиметра.
Разновидности вакуума
Физиков часто обвиняют в том, что они работают не с реальными материальными объектами, а с идеализированными моделями этих объектов – «сферическими конями в вакууме». Ирония в том, что даже сам физический вакуум тоже является «сферическим конём в вакууме»: чистого вакуума без частиц и квантовых полей попросту не существует в природе. Думаю, моим читателям не нужно объяснять, что вещи, называемые пустыми в обыденном смысле, на самом деле пустыми не являются. Один кубометр воздуха на уровне моря весит примерно килограмм и содержит порядка 1025 молекул. Для создания вакуума нужно всё это как-то откачать и снизить атмосферное давление до нуля. В большинстве случаев мы имеем дело с техническим вакуумом – сильно разреженным газом, в котором соударений молекул почти не происходит. В межзвёздном пространстве плотность ионизированного водорода составляет несколько протонов на см3, в межгалактическом пространстве – около 7*10-29 г/см³. Также космическое пространство заполнено реликтовым микроволновым излучением температурой около 3 К (−270 °C) и реликтовыми нейтрино, плюс следует учитывать излучение звёзд, квазаров и других объектов. И всё же вакуум в межгалактическом пространстве почище самого высокого вакуума, создаваемого в лаборатории.
По-настоящему высокий вакуум достижим только при температуре около абсолютного нуля и в полной изоляции от электромагнитных полей где-нибудь глубоко под землёй. А для изоляции от нейтрино вообще понадобились бы свинцовые стены в пару световых лет толщиной. Но и в этом случае чистота вакуума гарантирована только на микроскопических масштабах и на коротких промежутках времени. Кроме того, нигде в наблюдаемой вселенной не существует гравитационного вакуума, поскольку сила гравитации даже на бесконечном удалении от массивного объекта не равна нулю. А ещё есть гравитационные волны – очень слабые, но беспрепятственно распространяющиеся в любой среде колебания самого пространства-времени. Так что получить абсолютно пустое пространство, где не происходит никаких колебаний, попросту невозможно. Третий закон термодинамики в формулировке Фаулера-Гуггенхайма прямо запрещает достижение нулевой энергии: «ни одной процедурой, какой бы идеализированной она ни была, невозможно свести любую физическую систему к абсолютному нулю за конечное число операций».
Есть несколько теоретических моделей вакуума:
-
Вакуум Дирака, или «море Дирака» — среда из заряженных частиц, находящихся в самом низком энергетическом состоянии. Античастицы рассматриваются как «дырки» на месте возбуждённых частиц.
-
Вакуум де Ситтера – совокупность частиц с целым спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. Имеет отрицательное давление.
-
Вакуум Уилера – состоит из геометрических ячеек планковских размеров, определяющих все свойства реального мира.
-
Вакуум Тернера-Вильчека имеет два состояния – «истинный» вакуум и «ложный» вакуум. Последний только кажется самым низким энергетическим состоянием, но при определённых условиях может переходить на более низкий энергетический уровень, в состояние истинного вакуума.
Вам наверняка приходилось слышать понятия «истинного» и «ложного» вакуума в контексте популярных страшилок о том, что ложный вакуум может внезапно распасться и всех нас уничтожить. Такую возможность действительно нельзя полностью исключать, поскольку наша Вселенная, согласно теории инфляции, образовалась как раз в результате распада ложного вакуума скалярного поля инфлатона. Но последние 13,8 млрд лет с нашим вакуумом ничего такого не происходило. Конечно, текущее состояние поля тоже может оказаться метастабильным, и в один прекрасный день на каком-нибудь адронном коллайдере оно возьмёт и туннелирует в своё основное состояние истинного вакуума, после чего пузырь этого истинного вакуума начнёт распространяться по всей Вселенной со скоростью света, уничтожая вместе с ложным вакуумом всё на своём пути. Более того, если верить в бесконечную космологическую мультивселенную, пузырь истинного вакуума уже наверняка где-то образовался на её просторах, и мы даже не узнаем заранее о его приближении, пока он нас не накроет. Однако вероятность такого события невозможно оценить даже приблизительно, поэтому бояться его нет никакого смысла: существует масса гораздо более правдоподобных и эффектных сценариев конца света.
Далее мы будем говорить только о физическом вакууме квантовой теории поля (КТП), который часто представляют как совокупность «виртуальных» частиц и античастиц. В связи с этим возникает вопрос: а можно ли вообще вакуум называть пустотой.
Флуктуации вакуума как виртуальные частицы
Понятия «пустота», «ничто» и «небытие» попросту не имеют физического смысла, их не с чем соотнести в реальном мире. Как писал Иосиф Шкловский,
«согласно взглядам современной физики, вакуум представляет собой отнюдь не абсолютную пустоту, в которой движутся различные материальные тела. На самом деле вакуум – как бы огромный резервуар, наполненный всевозможными, так называемыми «виртуальными» частицами и античастицами. При отсутствии внешних воздействий (например, полей) эти «виртуальные частицы не «материализуются», их как бы нет. Однако достаточно сильные или переменные поля (электрическое, гравитационное) вызывают превращения виртуальных частиц в материальные, которые вполне могут быть наблюдаемы»
На самом деле всё немного сложнее. С точки зрения квантовой теории поля, пространство заполнено квантовыми полями, энергия которых никогда строго не равна нулю. В качестве аналогии квантового поля возьмём матрас с микроскопическими пружинами в каждой его точке – гармоническими осцилляторами. Пружины эти постоянно сокращаются и разжимаются, определяя значение напряжённости поля в данной точке. Если полю сообщить энергию – продавить матрас, оно начинает осциллировать (колебаться) между определёнными значениями, и это колебание можно описать как частицу – локальное возмущение квантового поля. Но даже в отсутствие таких возмущений пружины не стоят на месте – они всё равно осциллируют около нулевого значения, отклоняясь то вниз, то вверх. Эти нулевые колебания называются квантовыми флуктуациями вакуума или «виртуальными» частицами.
В соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга, некоторые взаимозависимые физические величины (некоммутирующие операторы) невозможно измерить одновременно со сколь угодно высокой точностью. Обычно говорят, что невозможно одновременно с точностью узнать координату частицы и её импульс, но нас сейчас больше интересует другая пара – энергия и время. Чем более короткий промежуток времени мы наблюдаем частицу, тем неопределённее её энергия, и наоборот – чем точнее мы хотим измерить энергию, тем дольше нужно наблюдать. Для долгоживущих частиц неопределённость их энергии невелика, поэтому их масса постоянна. Для короткоживущих частиц энергия более неопределённа, и масса тоже может варьироваться. С таким же успехом этот принцип применим и к полям: при сколь угодно малых значениях времени узнать точную энергию поля невозможно, она будет неопределённой. Поэтому даже там, где «реальных» частиц нет, происходят так называемые квантовые флуктуации, или нулевые колебания полей в их основном, наинизшем состоянии. Как вы помните из статьи «Квантовая теория поля для гуманитариев», все «реальные» частицы тоже являются колебаниями квантовых полей, но они обладают ненулевой энергией.
Флуктуация – это случайное отклонение какой-либо величины. Если основное состояние энергии поля – нулевое, отклонения будут происходить где-то в положительную сторону, а где-то в отрицательную, взаимно компенсируя друг друга – как одинаковые числа с противоположными знаками, в сумме дающие 0. Флуктуации вакуума можно представить как волны положительной и отрицательной энергии, которые в результате интерференции гасят друг друга. А можно в силу корпускулярно-волнового дуализма представить их как «виртуальные» частицы и античастицы, которые попарно рождаются и сразу же исчезают (аннигилируют). Эти частицы как бы берут у вакуума энергию взаймы, а затем сразу же отдают обратно. Чем больше они взяли энергии, тем быстрее её нужно вернуть. Чем больше флуктуация энергии, тем меньше времени она существует. Из ничего могут возникнуть даже сверхтяжёлые частицы с массой порядка планковской, но проживут они ничтожные доли секунды. Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Ведь если вы станете ежесекундно брать у банка кредит и тут же возвращать его обратно, по факту денег не будет ни на вашем, ни на банковском счету.
Впрочем, на очень малых расстояниях и промежутках времени энергия, масса, импульс не успевают принять определённых значений, что позволяет отдельным виртуальным частицам иногда обходить законы сохранения энергии и импульса, обладать отрицательной или мнимой массой. Они не могут улететь на бесконечность и даже в принципе иметь траекторию движения, поскольку сразу после рождения аннигилируют или распадаются. Виртуальные частицы появляются и исчезают чаще, чем их можно измерить, поэтому у них нет определённого местоположения и импульса: значения этих переменных произвольно меняются в рамках неопределённости. Виртуальную частицу невозможно обнаружить экспериментальным путём: погрешность при измерении будет больше или равна энергии виртуальной частицы.
Принцип неопределённости Гейзенберга распространяется как на микроскопические частицы, так и на классические объекты. Но квантовая неопределённость нисколько не мешает спутниковому навигатору определять местоположение движущегося автомобиля, а полицейским – замерять его скорость. В макроскопических масштабах неопределённостью можно пренебречь, поскольку предел точности измерения задаёт постоянная Планка – очень малая величина, равная 6,63*10-34 Дж*с. Зато на квантовом масштабе принцип неопределённости Гейзенберга исключает возможность вычислить точную траекторию движения отдельной частицы – можно узнать только статистическую картину распределения вероятностей для множества движущихся частиц. Поэтому из квантовых флуктуаций вакуума обычно не появляются макроскопические предметы – они не укладываются в разумные рамки неопределённости координаты-импульса и энергии-времени. Однако если расширить область поисков далеко за пределы наблюдаемой вселенной, а время ожидания – далеко за пределы текущего возраста Вселенной, когда-нибудь и где-нибудь обязательно найдётся достаточно сильная флуктуация, чтобы породить из ничего, скажем, больцмановский мозг.
Все взаимодействия в КТП (сильное, слабое и электромагнитное) можно описать как обмен «виртуальными» частицами-переносчиками – бозонами. Например, когда частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются, они обмениваются реальным фотоном, а когда частицы с противоположными зарядами притягиваются, они обмениваются виртуальными фотонами. Взаимное притяжение положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженного электрона можно описать как непрерывный обмен «виртуальными» фотонами. Аналогично и «реальные» кварки внутри протона связаны между собой «виртуальными» кварками и глюонами – переносчиками сильного взаимодействия. На их долю как раз и приходится основная часть массы протона и атомного ядра.
В отличие от «реальных» бозонов, регистрируемых в ходе эксперимента, эти частицы возникают только на промежуточных стадиях взаимодействия «реальных» частиц, и не наблюдаются в начальном и конечном состояниях системы. То есть они «виртуальны», потому что рождаются и поглощаются в ходе взаимодействия и не могут быть зарегистрированы измерительным прибором. Но это не значит, что они не играют никакой роли в физических процессах.
Несмотря на короткую продолжительность жизни, «виртуальные» частицы могут оказывать вполне ощутимое воздействие на своих «реальных» коллег. Это предсказано квантовой электродинамикой и подтверждено экспериментально. Например, есть эффект Казимира, когда две близко расположенные тонкие зеркальные пластинки слипаются под давлением окружающего их вакуума. Здесь срабатывает тот же механизм, который приводит к столкновению бортами двух близко проплывающих кораблей: давление волн на внешние борта становится выше, чем на внутренние, потому что в узком зазоре между кораблями вода спокойнее – волны интерферируют и гасят друг друга. Аналогично и в пространстве между пластинами Казимира могут появляться только такие фотоны, которые соответствуют целым или полуцелым резонансным длинам стоячих волн, а рождение виртуальных фотонов с другими длинами волн подавляется. В то же время снаружи появляются частицы с любыми длинами волн, поэтому изнутри давление виртуальных фотонов меньше, чем извне, и пластины слипаются. Но если снаружи давление и плотность энергии вакуума на нуле, между пластинами они ещё меньше – часто это называют отрицательным давлением, поскольку в таком вакууме содержится ещё меньше, чем ничего.
Также есть лэмбовский сдвиг уровня энергии электрона в атоме водорода, обусловленный его взаимодействием с нулевыми колебаниями электромагнитного поля – «виртуальными» фотонами. Заряд электрона «размазывается» под влиянием флуктуаций среднеквадратичных значений напряжённостей электрического и магнитного полей. В свою очередь обычное вещество может влиять на окружающие его «виртуальные» частицы. Вследствие поляризации вакуума электромагнитным полем в нём рождаются электрон-позитронные, мюон-антимюонные или таон-антитаонные пары. Внутри атома такие пары возникают не хаотично, а вполне структурировано, выстраиваясь по силовым линиям электрического поля.
Когда свободный электрон движется в вакууме, он взаимодействует с виртуальными электронами и позитронами, которые поляризуют его электрический заряд – облако виртуальных позитронов экранирует отрицательный заряд, и его значение оказывается меньше ожидаемого. В ядре атома виртуальные мезоны определяют магнитные моменты нуклонов. Виртуальные пионы вокруг нуклонов отклоняют быстрые электроны и при сообщении нуклонам энергии становятся реальными, а нейтрон при поглощении виртуального пиона превращается в протон. При бета-распаде атомного ядра виртуальные электроны и антинейтрино становятся реальными. Виртуальные фотоны вызывают спонтанные переходы электронов в атоме с более высокого на более низкий энергетический уровень – на этом основана работа лазеров, трансформаторов и почти всей современной электроники.
Существуют ли виртуальные частицы?
Часто можно услышать мнение, что никаких «виртуальных» частиц на самом деле нет, это просто такой математический приём. Дескать, они были введены в теории возмущений как полезный инструмент, позволяющий упростить и наглядно представить непрерывный процесс, разложив его на дискретные составляющие. Действительно, в квантовой теории поля «виртуальные» частицы появляются в результате перенормировки, при упрощении и подгонке точных выражений процессов взаимодействия реальных частиц под наблюдаемые результаты измерений. Процедура перенормировки была изобретена в конце 40-х гг. Ричардом Фейнманом, Джулианом Швингером и Синъитиро Томонагой для устранения «ультрафиолетовой расходимости» — бесконечных величин, которые появлялись при попытках вычисления энергии и заряда электрона, взаимодействующего с электромагнитным полем. Суть перенормировки сводится к отсечению «лишних» частот и длин волн, чтобы результаты расчётов становились конечными и имели физический смысл. Но в результате разложения точного выражения в ряд по константе взаимодействия получается бесконечный набор слагаемых. У каждого из членов этого ряда есть квантовые числа и другие признаки реальных частиц.
Если полю сообщить энергию, оно начинает осциллировать (колебаться) между определёнными значениями, и это колебание рассматривается как «реальная» частица. Взаимодействие двух электронов описывается как сближение двух источников осцилляций в электронном поле, интерференция и образование осцилляций в электромагнитном поле, из-за которых источники осцилляций в электронном поле начинают удаляться друг от друга. Есть множество вариантов отталкивания электронов, каждому из которых соответствует сложное интегральное уравнение. Для наглядности их рисуют в виде фейнмановских диаграмм. Взаимодействие двух электронов посредством «виртуального» фотона обычно изображают так:
Но, поскольку процессы между вершинами диаграмм ненаблюдаемы, там в принципе может происходить всё, что угодно. В том числе появление виртуальной петли – рождение заряженной частицы в паре с античастицей и последующая их аннигиляция. На каждой диаграмме взаимодействия свои конфигурации электромагнитного поля, колебания которого и называют виртуальными фотонами. Поскольку реальная картина взаимодействия слишком сложна и приводит к бесконечным величинам, на практике учитываются только самые простые и вероятные диаграммы, при сложении которых получается результат, довольно близкий к наблюдаемому. Для большей точности можно просчитать и другие варианты, но они мало повлияют на результат. Однако, как предостерегают физики-теоретики, следует помнить, что всё это аппроксимация, изобретённая для упрощения расчётов. На самом деле осцилляции поля непрерывны, и соответствующих им виртуальных частиц как бы и не существует.
Но с таким подходом можно сделать вывод, что и «реальных» частиц тоже не существует. Ведь для их описания мы тоже используем математическую конструкцию – волновую функцию. Квантовая механика постулирует, что волновая функция – это полная информация о квантовой системе, ничего фундаментальнее знать о ней невозможно. Если рассматривать волновую функцию как математический инструмент, а не реальный физический объект, это неявно подразумевает веру в некие скрытые параметры, о которых мы ничего не знаем, поэтому вынуждены описывать реальные объекты с помощью волновой функции.
Так существуют виртуальные частицы или нет? Если воспользоваться критерием реальности, который мы приводили в статье «Реализм против солипсизма», то виртуальные частицы, безусловно, существуют. Они реальны, потому что вводятся в рамках квантовой теории поля для объяснения эффекта Казимира, лэмбовского сдвига и многих других экспериментов. Виртуальные или нематериальные сущности не могут оказывать влияния на реальные физические процессы. Конфигурации поля и амплитуды волновой функции непосредственно влияют на результаты измерений, так что они тоже реальны. Невозможность наблюдать виртуальные частицы в измерительных приборах не опровергает их объективного существования. Можно создавать виртуальные частицы, использовать их для воздействия на другие частицы, воздействовать на них и превращать в действительные частицы. Да, они не подпадают под определение частицы ввиду отсутствия определённой массы и проявляются только в присутствии реальных частиц и взаимодействий между ними. Поэтому можно сказать так: они реальны в меньшей степени, чем «реальные» частицы нашей вселенной, примерно наравне с «теневыми» частицами параллельных миров Эверетта, и в большей степени, чем тахионы, гравитоны, аксионы и прочие гипотетические частицы. Но в связи с устоявшейся терминологией мы по-прежнему будем делить частицы на «виртуальные» и «реальные», употребляя эти слова в кавычках.
Виртуальные частицы в многомировой интерпретации Эверетта
Говорят, интерпретации квантовой механики не относятся к тому, что происходит между начальным и конечным состояниями, а только к самим этим измеряемым состояниям и к тому, что происходит до и после них. В копенгагенской интерпретации волновая функция отражает вероятность получения конечного состояния с учётом начального состояния, но само конечное состояние определяется в результате измерения. В интерпретации Эверетта одно начальное состояние определяет все возможные конечные состояния, каждое из которых в свою очередь становится начальным состоянием для дальнейшего ветвления. А то, что происходит между начальным и конечным состояниями, описывают диаграммы Фейнмана или уравнение Шрёдингера. В этом есть определённый смысл, если делить мир на квантовый и классический, а квантовую механику – на унитарную эволюцию и прерывающий её коллапс волновой функции, как это делают сторонники копенгагенской интерпретации. Но если быть последовательным и считать квантовую теорию универсальной, она становится применима к любым физическим системам на любом масштабе. Поэтому ничто не запрещает рассматривать с точки зрения многомировой интерпретации работу квантового компьютера или флуктуации вакуума.
«Виртуальные» частицы вакуума иногда отождествляют с альтернативными компонентами волновой функции или «теневыми» частицами из параллельных вселенных. Сторонникам идеи многих миров может показаться, что «реальные» частицы из параллельных вселенных проявляют себя как «виртуальные» в нашей вселенной, и наоборот. Соответственно «виртуальные» частицы являются возможными, но не реализованными в нашей вселенной вариантами расположения «реальных» частиц. Поскольку волновая функция рассматривается в интерпретации Эверетта как реальный физический объект, амплитуды вероятности соответствуют контрфактическим координатам частицы в параллельных мирах, число или процент которых отражает вероятность измерить частицу именно в этом месте (точнее, вероятность наблюдателю осознать себя во вселенной, где частица находится в этом месте). Мы не знаем, конечно ли число параллельных миров (это зависит от дискретности или непрерывности пространства-времени), поэтому по умолчанию рассматриваем их как несчётное бесконечное множество (континуум).
На коротких отрезках времени, пока существуют «виртуальные» частицы, вселенные Эверетта не дифференцированы, они интерферируют и разделяют частицы между собой. Впрочем, ничто не мешает условно разложить каждую вселенную или физическую систему на бесконечное число неотличимых, полностью совпадающих с ней копий, так же, как и вакуум можно разложить на любое количество «виртуальных» частиц. По крайней мере, так считает один из главных приверженцев многомировой интерпретации Дэвид Дойч. Элементарные частицы одного вида неотличимы, то есть нельзя сказать, какой вселенной принадлежит каждая из них. То же самое касается и «виртуальных» частиц. С другой стороны, само пространство-время не квантуется, но и не может находится в суперпозиции разных состояний и быть общим для всех параллельных миров – это нарушало бы предел Бекенштейна. Поэтому весьма вероятно, что у каждой вселенной свой экземпляр пространства-времени, и эти экземпляры ветвятся вместе с мирами Эверетта.
В статье «Квантовая концепция времени» я уже рассказывал о фейнмановском интеграле по траекториям как наглядном способе описания квантового вычисления. Интеграл по траекториям используется для вычисления амплитуд вероятностей переходов квантовой системы из начального состояния в конечное, будь то движение частицы из точки А в точку Б или взаимодействие нескольких частиц. В первом случае он учитывает все возможные траектории, которые частица может пройти от начальной до конечной точки, и суммирует их с учётом фазовых факторов. Во втором случае суммируются все возможные способы взаимодействия частиц для вычисления их вкладов в итоговую вероятность события. Каждая траектория или способ взаимодействия вносит свой вклад в вероятностную амплитуду процесса, но вклад маловероятных сценариев минимален, поэтому их можно не брать в расчёт. В интеграле по траекториям все амплитуды равны по величине (модулю), но различаются по фазе (аргументу комплексного числа). Вклады, которые существенно отклоняются от «мэйнстрима», нивелируются деструктивной интерференцией с вкладами схожих сценариев с противоположной фазой. А наиболее вероятными становятся сценарии, интерферирующие конструктивно – самые короткие и энергетически экономные, как того требует принцип наименьшего действия.
Что-то подобное делается при переходе между различными представлениями состояния квантовой системы – например, от координатного представления к импульсному и наоборот. Когда импульс частицы точно известен, её местоположение остаётся максимально неопределённым, и её волновая функция становится бесконечно растянутой. Чтобы точнее узнать местоположение, исходная волновая функция разлагается на составляющие волнового пакета, затем плоские волны с разными длинами и одинаковой амплитудой суммируются, и волновая функция трансформируется из синусоиды в локализованную форму. Эта математическая операция называется преобразованием Фурье. Но чем более точно определяется положение частицы, тем шире становится диапазон необходимых для этого длин волн. А чем больше ограничивается диапазон длин волн, тем меньше информации становится доступно о положении частицы.
Аналогичная процедура применима и к флуктуациям вакуума при вычислении его энергии. Суммирование по всем возможным квантовым гармоническим осцилляторам во всех точках пространства даёт бесконечную величину. Чтобы устранить бесконечность, можно суммировать только физически измеримые различия в энергии, а флуктуации в масштабе меньше планковской длины отсекаются как не имеющие физического смысла. Это называется перенормировкой.
Очевидно, разложение квантового процесса на альтернативные взаимодействия в диаграммах Фейнмана с последующим их интегрированием по траекториям, разложение волновой функции на альтернативные длины волн с последующим их суммированием в преобразовании Фурье и разложение флуктуаций вакуума на «виртуальные» частицы с последующей их аннигиляцией в процедуре перенормировки – это не просто забавное сходство. Все три операции переводят абстрактные математические конструкции в физически интерпретируемые результаты и описывают одно и то же явление: конструктивную интерференцию наиболее вероятных амплитуд волновой функции и деструктивную интерференцию наименее вероятных. Речь идёт о реальном физическом процессе, а не о математическом трюке для упрощения расчётов. Перенормировка позволяет игнорировать маловероятные компоненты волновой функции, фокусируясь на наиболее вероятных для предсказания результата измерения, потому что это отражает реальную меру ветвей волновой функции в многомировой интерпретации Эверетта.
Итак, мы разобрались, как соотносятся «виртуальные» частицы вакуума и «теневые» частицы параллельных миров. Теперь пришло время выяснить, как выглядит вакуум на разных масштабах и какова его суммарная энергия.
Энергия вакуума и квантовая пена
Энергия квантового дрожания вакуума зависит от масштаба, на котором вы её измеряете. Чем меньше масштаб измеряемой области пространства-времени, тем больше энергия «виртуальных» частиц. Чтобы понять, как это работает, проведём мысленный эксперимент, известный как микроскоп Гейзенберга.
Возьмём универсальный микроскоп и начнём смотреть через него на материю, постоянно приближая вплоть до отдельных частиц – например, электронов. Чтобы увидеть электрон, от него должен отразиться хотя бы один фотон. Как вы уже знаете из моей статьи «Эффект наблюдателя», невозможно измерить частицу, не изменив её состояния. Фотон при рассеянии передаёт электрону импульс, который тем больше, чем меньше длина волны и выше энергия фотона. Если мы посветим высокоэнергетичным фотоном с короткой волной, это позволит в точности определить координату электрона, но его импульс будет изменён. А если взять низкоэнергетичный фотон с большой длиной волны, мы окажем минимальное воздействие на электрон, но узнаем его местоположение с большой погрешностью. Фотон рассеивается в виде сферической волны, которая попадает в объектив микроскопа или на датчик. Определить точную траекторию фотона невозможно, он всегда приходит из ограниченной области пространства. Чем точнее вы измерили местоположение частицы, тем неопределённее стал её импульс, и наоборот. То же самое и с энергией: чем короче время измерения и длина волны фотона, тем больше неопределённость энергии, то есть сильнее квантовое дрожание.
У каждой частицы есть своя комптоновская длина волны, по которой можно судить о размерах этой частицы и объёме пространства, где может появиться её «виртуальный» аналог. Например, для электрон-позитронных пар длина волны составляет 2,42*10-12 м. Верхний кварк имеет длину волны порядка 10-16 м, нижний кварк – 4,71*10-17 м, электронное нейтрино – 6,89*10-19 м. Если брать масштабы, доступные для изучения на Большом адронном коллайдере – порядка 1/1000 радиуса протона – то в соответствующем объёме пространства должна содержаться энергия, эквивалентная 1000 массам протона. Это значит, что в 1 м3 вакуума в миллион миллионов миллионов раз больше энергии, чем в 1 м3 обычной материи. А суммарная плотность энергии всех «виртуальных» частиц и соответствующих им квантовых полей вплоть до планковских масштабов, согласно расчётам, должна составлять колоссальные 2*1015 г/см3 или 10113 Дж/м3.
В Стандартной космологической модели ЛCDM энергия вакуума рассматривается как космологическая постоянная. По данным, свидетельствующим об ускоренном расширении Вселенной, энергия 1 см3 пустого пространства равна около одной триллионной эрг (0,6 эВ), или 10-28 г/см3, или 6*10-10 Дж/м3, или ~5 ГэВ/м3. Расхождение расчётов с наблюдаемым астрономическим значением космологической постоянной составляет 120 порядков – по словам Ли Смолина, это «наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией». Решение проблемы космологической постоянной возлагается на теорию всего.
Как мы убедились, размеры электронов, кварков и других фермионов, даже «виртуальных», на много порядков превышают минимальный отрезок пространства нашей вселенной – планковскую длину, которая равна 1,6*10-35 м. А как выглядит вакуум на планковских масштабах.
Согласно гипотезе «квантовой пены», предложенной Джоном Уилером в 1955 г., на самом фундаментальном уровне пространство-время представляет собой кипящее море червоточин и «виртуальных» чёрных дыр – так же, как видимая с высоты водная гладь в приближении может оказаться штормом. «Квантовая пена» состоит из флуктуирующих «виртуальных» максимонов – гравитационных аналогов «виртуальных» электронно-позитронных пар. Максимон – это гипотетическая частица планковской массы (1019 ГэВ/с2 или 2,176·10-8 кг), размеры которой (комптоновская длина волны) как раз сравнимы с планковской длиной. Существует этот максимон в течение планковского времени (порядка 10-44 с), после чего коллапсирует в «виртуальную» чёрную дыру с горизонтом событий диаметром в планковскую длину. Эта чёрная дыра мгновенно испаряется и снова образует «виртуальный» максимон, и так немыслимое число раз в секунду. То есть по сути каждая планковская ячейка («воксель») нашего трёхмерного пространства без конца совершает колебания в четвёртом измерении, «выворачиваясь наизнанку» то в одну, то в другую сторону.
Однако на планковских масштабах квантовая теория поля и общая теория относительности не работают, здесь нужна квантовая теория гравитации, которой пока нет. «Квантовая пена» — это просто умозрительная модель, никак не проверяемая на практике. По крайней мере до тех пор, пока мы не научились получать частицы такой массы-энергии, которой было бы достаточно для наблюдаемого изменения кривизны пространства-времени, т.е. гравитации. Проблема в том, что общая теория относительности неперенормируема, она описывает непрерывное пространство-время и не может быть проквантована, как другие физические взаимодействия. На сегодняшний день существуют несколько конкурирующих описаний реальности на планковских масштабах: М-теория, петлевая квантовая гравитация, причинная динамическая триангуляция, энтропийная гравитация и другие. Мы будем разбирать их в отдельных статьях, а пока вернёмся к вакууму в квантовой теории поля.
Материализация энергии и материи из вакуума
Если вакуум переполнен квантовыми флуктуациями, ими же теоретически можно управлять, и нам ничто не запрещает материализовать любые частицы прямо из пустоты. Идея довольно заманчивая, поэтому сторонники квантового мистицизма часто используют её как научное обоснование материализации мысли. Мол, вакуум является неисчерпаемым источником бесплатной энергии и содержит в себе всю бесконечность вещей в непроявленном, потенциальном виде. Стоит нам правильно настроить свою мысль на нужные частоты и срезонировать с неким информационным полем, и наши мыслеобразы начнут воплощаться из ниоткуда, собираясь из тех самых «виртуальных» частиц. Также предлагаются всевозможные способы превращения энергии нулевой точки в полезную работу – вакуумные вечные двигатели. Для их обоснования разрабатываются целые псевдонаучные теории – современные варианты концепции светоносного эфира, торсионная теория физического вакуума Шипова, гукуум Чурляева и т.д. Некоторые из них я уже демонтировал в статье «Физика сверхъестественного».
Авторы подобных теорий, видимо, не понимают или сознательно отрицают закон сохранения энергии и эйнштейновский принцип эквивалентности энергии и массы. «Виртуальные» частицы слишком недолговечны, чтобы мы могли как-то воспользоваться энергией их аннигиляции. А для «материализации» этих частиц потребуется отдать взамен столько же энергии или массы. Например, «виртуальный» электрон материализуется, если отдать взамен другой электрон, который аннигилирует с позитроном. Также можно получить массивные частицы путём столкновения двух пучков высокоэнергетичных гамма-фотонов, что успешно реализуется на ускорителях. К сожалению, энергия мыслей, то есть электрической активности мозга, слишком слабая и близкодействующая, чтобы создать подобный эффект.
Так значит, на идее материализации вещей и энергии из ничего можно поставить крест? Не совсем. На самом деле извлечь энергию прямо из вакуума можно, если знать, где и когда произойдёт следующая флуктуация. Флуктуации по определению случайны, однако существует способ квантово запутать участки электромагнитного поля так, чтобы энергия, вложенная в один из них, могла быть извлечена из другого. Здесь читатель вправе спросить: какая такая запутанность участков поля? Запутать вакуум? А что, так можно было?
Да! Обычно квантовую запутанность определяют как нелокальную корреляцию в состояниях элементарных частиц, позволяющую при измерении одной из них узнать состояние другой. Также известно о запутанных кубитах, физически реализуемых в виде квазичастиц. Но о запутанности квантовых полей или виртуальных частиц говорят редко. Их же нельзя напрямую измерить, тогда о какой запутанности идёт речь? Здесь нужно вспомнить о такой величине, как энтропия фон Неймана – о ней я рассказывал в статье «Квантовая информация и законы сохранения». Это мера количества квантовой информации в системе или запутанности состояния системы. Энтропия пары запутанных частиц равна нулю, но энтропия каждой из них по отдельности выше нуля, поскольку о её состоянии невозможно получить никакой информации. При измерении квантовая система переходит в одно из чистых (строго определённых) состояний, её энтропия уменьшается, однако на само измерение обязательно затрачивается энергия. При декогеренции, или переходе системы из чистого состояния в смешанное, энтропия увеличивается, состояние с низкой энергией переходит в состояние с более высокой энергией.
Аналогично и квантовые флуктуации можно описать как переходы вакуума из состояния с меньшей плотностью энергии в состояние с большей плотностью и обратно. Если представлять их как частицы и античастицы, то эти пары будут квантово запутанными на время между рождением и аннигиляцией. Поэтому участки вакуума тоже запутаны на коротких интервалах пространства-времени, которые при определённых условиях можно и растянуть.
Речь идёт о протоколе квантовой телепортации энергии Масахиро Хотты, о котором я уже рассказывал в статье «Квантовое туннелирование, телепортация, квантовый интернет». Задача это довольно кропотливая: чтобы нелокально передать энергию из точки А в точку Б, Алиса должна потратить энергию на измерение флуктуаций поля в точке А, узнать тем самым параметры флуктуаций поля в точке Б и локально сообщить Бобу своего рода ключ, с помощью которого он сможет «разблокировать» соответствующее количество энергии поля в точке Б. То есть Алиса в данном эксперименте выступает в роли демона Максвелла, измеряющего флуктуации вакуума и уменьшающего его энтропию. А Боб с полученным ключом будет знать все параметры флуктуаций, и для него колебания энергии перестают быть случайными. В 2022 г. Казуки Икеда из Университета Стони Брук подтвердил это экспериментально на квантовом компьютере IBM в условиях сильного магнитного поля, используя в качестве Алисы и Боба два кубита. Очевидно, ничего чудесного здесь нет, закон сохранения энергии при телепортации не нарушается: Боб извлечёт из вакуума меньше энергии, чем Алиса потратила на измерение. И КПД этого процесса падает пропорционально шестой степени от расстояния, так что далеко энергию телепортировать вряд ли получится.
Поляризация вакуума чёрной дырой
Ещё одно место, где «виртуальные» частицы становятся реальными – это горизонт событий чёрной дыры. Чёрная дыра поляризует вакуум своей гравитацией и порождает так называемое излучение Хокинга. Частицы возникают буквально из ничего, но это не нарушает закон сохранения энергии, поскольку чёрная дыра теряет часть своей массы. Сам Стивен Хокинг, предсказавший испарение чёрных дыр в 1975 г., в своей знаменитой книге «Краткая история времени» объяснил этот процесс следующим образом. Когда виртуальная пара «частица-античастица» рождается прямо на горизонте событий, они не успевают аннигилировать, связь между ними разрывается, античастица падает в чёрную дыру и уменьшает её массу, а частица снаружи горизонта становится «реальной» и уносит соответствующую энергию. Такое популярное объяснение очень далеко от реального процесса испарения чёрной дыры, и вот почему.
Во-первых, правильнее говорить не о парах «частица-античастица», а о «виртуальных» частицах положительной и отрицательной энергии-массы, потому что античастицы всё-таки обладают положительной массой и при попадании в чёрную дыру ведут себя так же, как и обычные частицы. Но это не объясняет, почему под горизонтом событий оказывается именно частица с отрицательной массой.
Во-вторых, частицы по обе стороны от горизонта событий являются квантово запутанными и не имеют определённой энергии, пока не будут измерены. Вот почему под горизонтом всегда оказывается частица отрицательной энергии – потому что измерить можно только частицу положительной энергии. Здесь срабатывает то самое «жуткое дальнодействие»: чёрная дыра теряет массу в тот самый момент, когда вы измеряете частицу излучения Хокинга. Но вы об этом всё равно не узнаете, пока до вас не дойдёт любой сигнал от горизонта событий, поэтому формально принцип локальности не нарушается. Ну и конечно никакой наблюдатель для испарения чёрной дыры не нужен: это происходит естественным путём при поглощении фотонов хокинговского излучения космическими объектами.
В-третьих, правильнее говорить не о частицах, а о колебаниях квантовых полей – тогда становится ясно, что излучение Хокинга возникает не только на самом горизонте событий, а и в окружающем чёрную дыру пространстве. Иначе по мере движения от бесконечности к горизонту событий для наблюдателя это излучение испытывало бы такое синее смещение, что сам горизонт представлялся бы ему огненной стеной – ведь чем ближе к горизонту, тем большей энергией должна обладать частица, чтобы преодолеть гравитационное поле чёрной дыры. На самом же деле длина волны хокинговского излучения равна диаметру чёрной дыры, и волны-частицы «размазаны» в пространстве, сравнимой с радиусом горизонта событий. Поэтому падающий в чёрную дыру наблюдатель вообще не заметит никакого излучения и спокойно пересечёт горизонт.
Эффект Унру и квантованная инерция
С излучением Хокинга тесно связан другой квантовый эффект – эффект Унру, предсказанный в 1976 г. физиком Уильямом Унру из Университета Британской Колумбии. Правда, до него аналогичные результаты получили Стивен Фуллинг в 1973 г. и Пол Дэвис в 1975 г., но в названии эффекта закрепилось имя Унру. Наблюдатель, движущийся в вакууме с постоянным ускорением, увидит вокруг себя фоновое излучение – тёплый газ из частиц (реальных, а не виртуальных), находящихся в термодинамическом равновесии, тогда как неподвижный наблюдатель увидит только вакуум и больше ничего. Это можно сравнить со стереограммой – скрытым изображением, которое видно только при движении картинки в определённом направлении. Или как если бы ускоряющийся термометр (которым машут) показывал более высокую температуру, чем неподвижный.
Физический смысл эффекта Унру состоит в том, что позади равномерно ускоряющегося объекта возникает горизонт событий (горизонт Риндлера), поскольку свет от удалённых неускоряющихся объектов не сможет его догнать, пока он не перестанет ускоряться. В пространстве-времени возникают причинно изолированные области, однако «виртуальные» частицы по обе стороны от горизонта Риндлера остаются квантово запутанными. Колебания полей положительной энергии перед ускоряющимся наблюдателем квантово запутаны с колебаниями отрицательной энергии за горизонтом Риндлера. Горизонт Риндлера поляризует вакуум подобно горизонту событий чёрной дыры, порождая реальные частицы излучения. Температура этого излучения пропорциональна видимому ускорению наблюдателя. Когда ускорение прекращается, частицы снова становятся «виртуальными».
При постоянном ускорении скорость объекта всё ближе подходит к скорости света, а время всё больше замедляется. При постоянном ускорении свободного падения g (9,81 м/с2) космический корабль в собственной системе отсчёта преодолеет 13 млрд св лет всего за 100 лет. Но не нужно ожидать, что при достаточном ускорении наблюдатель поджарится в вакууме. Он, конечно, поджарится, но не из-за эффекта Унру, а из-за столкновения с частицами межзвёздного вещества и космических лучей. А излучение Унру чрезвычайно слабое: при ускорении свободного падения его температура равна 4х10-20 K, а для экспериментальной проверки эффекта необходимо достичь ускорения 1026 м/с2, при котором температура составит 400000 К. Пожалуй, единственное место, где можно так ускорится – чёрная дыра. Но даже на поверхности чёрной дыры звёздной массы ускорение составляет 1.5 трлн g, что соответствует температуре Унру 6*10-8 К. Разумеется, об экспериментальной проверке эффекта Унру говорить не приходится, поскольку обнаружить столь слабое излучение в космическом микроволновом фоне не представляется возможным. Что не исключает моделирование этого эффекта в конденсате Бозе-Эйнштейна, охлаждённом почти до абсолютного нуля.
А как об эффекте Унру может узнать неускоряющийся наблюдатель? Для него вакуум по-прежнему будет состоять из «виртуальных» частиц, но при поглощении частиц ускоренным наблюдателем соответствующие им античастицы будут забирать у него энергию и становится «реальными» для наблюдателя в инерционной системе отсчёта. Ничего не напоминает? Да, вы догадались, к чему я клоню – излучение Хокинга!
Внезапно оказывается, что излучение Хокинга – это частный случай эффекта Унру в сильном гравитационном поле чёрной дыры. Здесь дотошные физики могут возразить, что у них разная природа, но я предлагаю просто взглянуть на формулы температуры Хокинга и Унру.
Одно и то же, просто в первой формуле в числителе стоит поверхностная гравитация k, а во второй – ускорение системы отсчёта a. Вспомним принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс: для равномерно ускоряющегося наблюдателя сила инерции неотличима от силы гравитации. Наблюдатель вблизи горизонта вынужден постоянно ускоряться, чтобы не упасть в чёрную дыру, и позади него остаётся горизонт событий. А значит, наблюдатель должен увидеть в вакууме тепловое излучение – эффект Унру. И он действительно его видит, как уходящие на бесконечность «реальные» частицы излучения Хокинга, квантово запутанные с частицами отрицательной энергии под горизонтом. С точки зрения свободно падающего в чёрную дыру холонавта ничего этого нет, поскольку он не ускоряется в окружающем его пространстве – ускоряется само пространство. Поэтому он пересечёт горизонт и ничего не заметит, излучение Хокинга для него не существует.
Разница между излучениями Унру и Хокинга в том, что первое не будет заметно удалённому от чёрной дыры наблюдателю, в отличие от второго. Также температура хокинговского излучения из-за гравитационного красного смещения одинакова на любом расстоянии от чёрной дыры, а температура излучения Унру зависит от ускорения. Всё дело в том, что эффект Унру наблюдается в плоском пространстве Минковского, а излучение Хокинга – в искривлённом пространстве Римана. Но оба излучения связаны с флуктуациями вакуума поблизости от границы двух причинно несвязанных областей пространства-времени.
Тем не менее, факт остаётся фактом: то, что выглядит пустым пространством с нулевой температурой для равномерно движущегося наблюдателя, оказывается заполненным частицами с ненулевой температурой для наблюдателя, движущегося равноускоренно. Основное квантовое состояние (физический вакуум) в инерциальной системе отсчёта становится состоянием с ненулевой температурой излучения абсолютно чёрного тела в ускоряющейся системе отсчёта. Иначе говоря, пустота перестаёт быть пустотой, если сменить точку отсчёта с инерциальной на неинерциальную. Это значит, что само понятие вакуума относительно и зависит от того, как движется наблюдатель сквозь пространство-время.
На эффекте Унру основана достаточно спорная, но как минимум интересная гипотеза квантованной инерции (QI), предложенная физиком из Плимутского университета Майком Маккаллохом. Как известно, инерция – это способность тел сопротивляться попыткам изменить их скорость или направление движения. Или, иначе говоря, это свойство тел оставаться в некоторых системах отсчёта в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в отсутствии или при взаимной компенсации внешних воздействий. По мнению Маккаллоха, инерция является ничем иным, как давлением излучения Унру на ускоряющееся тело. По мере ускорения тела горизонт Риндлера расширяется в направлении ускорения и сжимается за ним. В результате возникает что-то вроде эффекта Казимира: в пространстве за ускоряющимся телом помещается меньше длин волн излучения Унру, чем в пространстве перед ним, и на тело спереди воздействует большее давление излучения Унру, толкая его назад против ускорения и проявляясь как инерция. Если тело ускоряется очень медленно, длина волны излучения Унру превышает размеры наблюдаемой Вселенной – горизонт Хаббла гасит очень длинные волны излучения Унру перед ускоряющимся телом, как горизонт Риндлера делает это за ним. Отсюда Маккаллох приходит к выводу, что инерция не увеличивается непрерывно, а квантуется. Кроме того, его теория предсказывает потерю инерционной массы медленно ускоряющимся объектом, что в рамках Модифицированной ньютоновской динамики (MOND) могло бы объяснить загадку тёмной материи.
Маккаллох пытался обосновать своей теорией работу «невозможного» двигателя EmDrive, на изучение которого агентство DARPA выделило Плимутскому университету 1,3 млн долларов. По итогам испытаний Дрезденского технологического университета он был признан действительно невозможным, поскольку нарушал закон сохранения импульса. Но к вопросу истинности самой теории квантованной инерции этот казус никакого отношения не имеет.
Контролируемое излучение Хокинга
Напоследок нельзя не упомянуть парадокс уничтожения информации чёрными дырами в процессе полного испарения. Учёные полагают, что информация о предметах, поглощённых чёрной дырой, не может просто исчезнуть – это нарушало бы принцип унитарности, на котором держится вся квантовая механика. Следовательно, информация каким-то образом кодируется на горизонте событий и затем возвращается в виде хокинговского излучения. Если разгадать это код, теоретически можно будет бросать в чёрную дыру вещество и затем извлекать его в виде чистой энергии или частиц заданной конфигурации. Само по себе излучение Хокинга обладает высокой энтропией и непригодно для совершения работы, однако при наличии необходимой информации его энтропия станет низкой.
Уже упомянутый нами Масахиро Хотта, автор протокола квантовой телепортации энергии, предложил ещё более смелую идею – использование контролируемого процесса Хокинга для получения энергии из чёрных дыр вблизи горизонта событий. Он показал, что при определённых условиях квантовое измерение локальных флуктуаций поля вне горизонта приводит к образованию частиц положительной энергии, падающих в чёрную дыру и увеличивающих её массу. Затем над полем вне горизонта выполняется операция, которая зависит от результата первого измерения. Это приводит к образованию и падению в чёрную дыру частицы отрицательной энергии, отбирающей у чёрной дыры больше массы, чем дала первая частица. Соответствующее количество энергии извлекается измерительным прибором из квантовой флуктуации поля. Таким образом, происходит как бы управляемое излучение Хокинга за счёт телепортации энергии чёрной дыры в заданную точку пространства вблизи горизонта, занимающее гораздо меньше времени, чем естественное испарение чёрной дыры.
Чёрные дыры, теряя энергию, не остывают, как любые другие тела, а наоборот нагреваются. Чем меньше чёрная дыра, тем больше радиации она излучает: чёрная дыра планковских размеров испарится всего за доли секунды, высвободив огромное количество энергии. Чёрная дыра массой порядка 1018-1019 кг, сравнимой с массой среднего астероида, излучает как звезда главной последовательности. Она будет испаряться достаточно долго, чтобы мы успели воспользоваться её энергией, но и не настолько долго, как астрофизические чёрные дыры. Можно пофантазировать, что когда-нибудь мы научимся создавать искусственные чёрные дыры, управлять излучением Хокинга и превращать материю в энергию со 100-процентным КПД. Правда, для создания даже микроскопической чёрной дыры потребуется энергия порядка 1026 эВ, недостижимая для наземных коллайдеров. Но сначала нужно создать полную теорию квантовой гравитации.
Вывод
Таким образом, мы можем подытожить статью крылатой латинской фразой ex nihilo nihil fit («из ничего ничего не возникает»), но с оговоркой, что иногда всё же возникает, если в другом месте при этом убывает. Да, при определённых условиях из вакуума можно извлечь энергию, если знать, где, когда и в каком базисе измерять. Но для получения этой информации нужно затратить эквивалентное количество энергии, так что вечного двигателя на энергии вакуума не получится. Также из вакуума естественным образом «материализуются» частицы излучения Хокинга и Унру, однако возможен этот банкет только за счёт массы чёрной дыры или энергии ускоряющегося тела. В вакууме может происходить ещё много интересного, только если это не нарушает законов сохранения энергии и неубывания энтропии. В данной статье я показал, что в некоторых случаях состояния квантовых полей могут быть неинвариантны, то есть является ли некая область пространства вакуумом или тепловой ванной, и являются ли частицы виртуальными или реальными, зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Если хорошо вдуматься, это взрывает мозг и заряжает энергией покруче любых вечных двигателей. И мы только начали путешествие в глубины теоретической физики, впереди вас ждёт ещё много подобных инсайтов.
