Пена в пустоте

Про атом знают все. Это очень маленькая частичка вещества, которую раньше считали неделимой и которая на самом деле состоит из ядра и окружающих его электронов. Прекрасно. Берем такой атом (все равно какой) и посылаем на него пучок света. Про свет тоже знают все. Со времен Эйнштейна известно, что свет — это не только электромагнитные волны, но и одновременно — поток частиц, потому что в микромире все имеет одновременно и свойства волны, и свойства частицы. Эти световые частицы называются «фотоны». Это тоже многие знают.

Фотон падает на атом и отдает ему свою энергию. Атом возбуждается. Это значит, что его электрон покидает то самое низкое энергетическое состояние, в котором находился, и переходит в другое, энергия которого больше ровно на ту величину, которую передал фотон. Прекрасно. Атом возбужден, мы на него смотрим. Проходит какое-то время, и вдруг мы видим, что атом вернулся в исходное энергетическое состояние. Полученная было энергия излучилась в виде нового фотона. Это произошло само собой. Если повторять такой опыт раз за разом, результат всегда будет тот же: возбужденный атом сам собой будет возвращаться в исходное состояние, только время возврата всякий раз будет несколько иное. Сложим все эти времена, разделим на число опытов — мы получим среднее время жизни атома в возбужденном состоянии.

Поместим тот же атом в полость очень небольших размеров. Пусть эти размеры будут сравнимы с длиной волны падающего и излучаемого света. Иными словами, пусть они будут того же порядка, что длина волны электромагнитного поля, которое «омывает» наш атом. Допустим, что эти размеры можно менять по нашему произволу — например, сдвигая стенки полости. Начнем это делать. Проведя множество опытов по возбуждению атомов в такой полости при разных ее размерах, подсчитаем еще раз среднее время жизни возбужденного атома. Такой опыт (конечно, гораздо более тонкий и сложный, чем здесь описано, но в принципе такой) был проведен в 1981 году Клеппнером. Этот опыт дал любопытный результат: время жизни возбужденного атома оказалось зависящим от размеров полости. При каких-то определенных размерах оно заметно увеличивалось. Атом почему-то затруднялся вернуться в исходное состояние. Ему было труднее излучить фотон.

Клеппнера этот результат не удивил. Напротив, он его обрадовал. Дело в том, что именно такой результат предсказывала теория, которую он проверял. Эта теория, описывавшая квантовые особенности поведения электромагнитного поля, говорила, что возвращение атома в невозбужденное состояние вызывается его взаимодействием с окружающим вакуумом. Вакуум, говорила теория, — это не та абсолютная пустоста, которую мы воображаем, произнося это слово. В действительности в вакууме кипит жизнь — в буквальном и переносном смысле слова. В нем то и дело появляются и исчезают пары «частица — античастица». Этот эффект напоминает непрерывное образование и исчезновение пузырьков пара в кипящей жидкости. Огромное множество упомянутых пар, непрерывно вскипающих и исчезающих в вакууме, напоминает своеобразную «пену». Вакуум пенится — то, что мы представляем себе абсолютной пустотой, в действительности заполнено микрочастицами и простирающимися между ними электромагнитными полями. Эти-то поля, как сказано выше, и вызывают в конечном счете возвращение возбужденного атома в исходное состояние.

Отличие вакуумных частиц и их полей от обычных состоит в том, что вакуумные — виртуальны. Так называют все то, что обладает мнимой или «возможной» жизнью. Например, изучая, как покатится камень с горы, физик должен принять во внимание все возможные его пути. Пока камень не покатился в действительности, все эти пути существуют «виртуально», то есть как возможности. Сопоставляя их, физик может найти тот путь, катясь по которому камень будет быстрее всего терять свою энергию, это и будет реальный путь камня. Сегодня все знают словосочетание «виртуальное пространство». Оно есть — но только внутри компьютера. Оно существует как потенциальная возможность, дремлющая внутри компьютера, оно может осуществиться, если включить компьютер, и лишь на то время, пока компьютер будет включен. Однако в этот промежуток времени и для того, кто погружен в игру или компьютерный расчет, такое виртуальное пространство вполне «реально». В нем можно производить вполне реальные действия.

Пары «частица — античастица», возникающие и исчезающие в вакууме, — тоже «виртуальные пары». Они возникают «из ничего», что, казалось бы, противоречит законам сохранения. Но поскольку все характеристики частицы противоположны аналогичным характеристикам античастицы, то в сумме каждая пара характеристик дает ноль, то есть от появления такой пары ничего в природе действительно не изменяется, законы сохранения не нарушаются. Единственным исключением является масса, или, что ей эквивалентно, энергия: и у частицы, и у античастицы энергия одного и того же знака (положительна); выходит, рождение пары требует появления энергии «из ничего». А это как будто явно нарушает закон сохранения энергии. Но тут на помощь паре приходит одна фундаментальная особенность микромира (она была сначала теоретически открыта Гейзенбергом, а затем подтверждена многочисленными экспериментами других физиков): оказывается, в квантовом мире энергия частицы никогда не определена (и никаким способом не может быть определена) с абсолютной точностью, и эта неопределенность ее энергии зависит, грубо говоря, от того, как долго частица существует. Поскольку виртуальная пара существует очень короткое время, неопределенность ее энергии очень большая. В пределах этой «дозволенной» неопределенности частица может брать энергию «взаймы у ничего», то есть даже нарушая закон сохранения энергии.

Попробую пояснить это с помощью грубой аналогии. Представьте, что на вашем банковском счету нет ничего, но вы точно знаете, что проверка этого счета занимает у банка какое-то минимальное время, причем это время зависит от точности проверки: например, если она длится всего секунду, то ее точность — в пределах сотни рублей, а если час — то уже в пределах одного рубля. Понятно, что на время меньше секунды вы можете смело взять из своего «нуля» до сотни рублей, и банк «не заметит» нарушения закона сохранения денег, а в пределах часа вы можете, без нарушения этого закона, взять не больше рубля.

В микромире роль таких денег играют масса и энергия: на очень короткое время виртуальная частица может «взять взаймы» достаточно большую массу и стать «реально существующей»; главное — отдать этот «долг» в пределах дозволенной неопределенности времени, то есть достаточно быстро исчезнуть, тогда никакого нарушения закона сохранения массы (и энергии, соответственно) не произойдет! И, разумеется, чем больше взятая взаймы энергия, тем меньше времени такая виртуальная частица может провести в реальном бытии. Такой фокус, однако, возможен только с энергией и массой. Для того чтобы не нарушались законы сохранения других физических характеристик (например, электрического заряда), необходимо, чтобы вместе с такой частицей рождалась и ее античастица, у которой все эти характеристики имеют противоположный знак. Вот почему виртуальные частицы всегда рождаются только парами: электрон вместе со своей античастицей — позитроном (которая имеет противоположный электрический заряд, и так далее), протон — с антипротоном и т.п. Каждая пара существует лишь в пределах той временной неопределенности, того крохотного — и непроницаемого для проверки — зазора между бытием и небытием, когда ее нельзя «поймать на горячем», на нарушении законов природы; но их физическое влияние на окружающий мир от этого ничуть не менее реально.

Возвращаясь к нашему атому в полости, мы это немедленно увидим: действие электромагнитных полей таких виртуальных частиц вызывает возвращение возбужденного атома в нормальное состояние. Заметим, однако, что эти поля тоже подчиняются квантовым законам (теория квантовых полей называется квантовой электродинамикой), и эти законы говорят, что длины волн таких полей не могут быть произвольными, могут существовать лишь волны некоторых определенных длин. Тем не менее это не значит, будто в любых условиях будут возникать все возможные (допустимые теорией) волны. Например, в полости ограниченных размеров те волны, длина которых слишком велика (в сравнении с размерами полости), гасятся стенками, «выходят из игры», а потому не участвуют во взаимодействии с нашим атомом и не могут повлиять на его возвращение в нормальное состояние, то есть на время этого возвращения. Меняя размеры полости, можно выводить из игры волны тех или иных возможных длин и тем самым менять длительность жизни возбужденного состояния. Но это как раз тот результат, который получил Клеппнер. Следовательно, его результат подтверждает существование в вакууме виртуальных пар частиц и их квантованных электромагнитных полей.

Эффект, обнаруженный Клеппнером, — частный случай более общего эффекта, предсказанного датским ученым Хендриком Казимиром еще в 1948 году. Исходя из тех же представлений о вакууме, Казимир подсчитал, что некоторые допускаемые теорией состояния электромагнитного поля виртуальных частиц не смогут осуществиться на практике (будут подавлены), если такие частицы возникают между двумя очень близко расположенными пластинами. Расстояние между пластинами играет здесь роль размеров полости в опыте Клеппнера. Но проявляться этот эффект будет здесь иначе. Поскольку между пластинами поле окажется «слабее», чем снаружи (какие-то его виртуальные составляющие будут подавлены), то давление снаружи будет несколько больше и приведет к сближению пластин. Они начнут притягиваться друг к другу с небольшой, но в принципе измеримой на опыте силой.

Измерение этой «казимировой силы» требует намного более чувствительной установки, чем опыт Клеппнера, поэтому соответствующий опыт долгие годы ждал своего исполнителя. И вот в самом начале прошлого года в журнале «Физикал ревью леттерз» появилась статья физика из Вашингтонского университета в Сиэттле (США) Стива Ламореза, в которой сообщалось, что этот опыт наконец произведен и дал в точности те результаты, какие предсказывала квантовая электродинамика. Для своих измерений Ламорезу нужно было расположить свои пластинки строго параллельно и очень близко друг к другу (на расстоянии, не превышающем один микрон, или одну сотую толщины человеческого волоса). Оказалось, однако, что на таком расстоянии крайне трудно проверить параллельность. Поэтому Ламорез заменил одну пластинку металлической линзой: даже если такая линза слегка поворачивалась, одна ее точка всегда оставалась на требуемом расстоянии от второй (плоской) пластинки. Эта вторая была подвешена на металлической нити, которая соединяла ее с системой обратной связи, позволявшей скомпенсировать отклонение пластинки от равновесия под действием «казимировой силы», возникающей между нею и линзой. Полученное Ламорезом значение этой силы оказалось всего лишь на пять процентов отличающимся от предсказанного квантово-электродинамическими расчетами Казимира.

Рассказывая журналистам о своем эксперименте, доктор Ламорез сказал, в частности, что его подталкивали давние размышления над загадками вакуума и его парадоксами. Вакуум действительно парадоксален: будучи «пустым», то есть не содержащим никакого вещества, он одновременно представляет собой кипящий океан виртуальных частиц и их электромагнитных полей. Это, однако, не исчерпывает всех его парадоксальных сторон. Об одной из них ученые упоминают, когда заходит разговор о черных дырах. Если пара виртуальных частиц возникнет вблизи границы такой дыры, ее так называемого горизонта, то одна из частиц пары может случайно оказаться с внешней стороны горизонта, а другая — с внутренней. В этом случае частица, оказавшаяся внутри, не сможет взаимоуничтожиться со своей античастицей, оказавшейся снаружи, ибо через горизонт изнутри ничего проникнуть не может. Внутренняя частица будет всосана в дыру, как всякая другая, попавшая «под горизонт», а наружная из виртуальной станет реальной. Уносясь от черной дыры, она унесет с собой и часть ее энергии (которую честно взяла взаймы, да уже не может вернуть), и таким образом в результате множества подобных событий дыра способна полностью «испариться».

Но такая возможность превращения виртуальности в реальность — тоже не последняя парадоксальная особенность вакуума. Лет пятнадцать назад два молодых астрофизика, Майкл Тэрнер из Чикаго и Франк Вилчек из Калифорнии, опубликовали в журнале «Нейчур» статью, в которой доказывали возможность существования «ложного вакуума». Сейчас в связи с экспериментом Ламореза доктор Тэрнер об этом напомнил. По его и Вилчека расчетам, родившаяся в ходе Большого взрыва Вселенная могла иметь ряд возможных энергетических состояний наподобие атома (она ведь и была поначалу одним таким сверх огромным атомом), и не исключено, что она по случайности застряла в одном из «возбужденных» состояний, не с самой малой возможной энергией. Тогда то, что мы считаем вакуумом, то есть самым низким энергетическим состоянием Вселенной, на самом деле есть «ложный вакуум», а истинное «нулевое состояние» находится ниже по энергетической лестнице. И точно так же, как возбужденный атом спустя какое-то время обязательно сваливается в нулевое состояние, так «возбужденная» Вселенная может — и когда-то обязательно должна — перейти в состояние «истинного» вакуума. А что же тогда произойдет с нынешним вакуумом, который входит в состав всего, что существует во Вселенной сегодня? Понятно, что: оно исчезнет.

Вообразите на минуту, что весь мир построен из возбужденных атомов, в которых электроны находятся дальше от ядра, чем в нормальном состоянии. Теперь представьте, что атом вернулся в это нормальное состояние. Это значит, что электрон изменил свое «положение» — перешел ближе к ядру. Но тогда прежние размеры атома уже не сохранятся — он «съежится» во много раз. И соответственно «съежатся» все тела, состоящие из возбужденных атомов. Они «схлопнутся» до микроскопических размеров. А если такой переход из возбужденного состояния в нормальное произойдет с вакуумом всей Вселенной, то все тела в ней «схлопнутся» вообще до «ничего». И произойдет это мгновенно, без всяких предварительных признаков, без предупреждений, как в случае возбужденного атома. Ужасная возможность! А может, вот так и погибали многочисленные вселенные до нашей? Главное, даже узнать ничего нельзя, ведь и следов не остается.

Сверхапокалиптический сценарий Тэрнера — Вилчека настолько всерьез обеспокоил некоторых физиков, что они начали искать, нет ли тут ошибки. В ходе этих поисков они пришли к следующему вопросу: ну хорошо, атом возвращается в самое нижнее энергетическое состояние под воздействием флуктуаций виртуальных полей, а кто или что может быть причиной такого перехода для Вселенной в целом? И этот-то вопрос как раз и обнажил спасительную брешь в теоретических построениях.

Чтобы увидеть ее, воспользуемся еще одной, последней аналогией. Представим себе кристалл, все атомы которого возбуждены одинаково. Пусть какой-то из них перейдет в нормальное состояние. При этом, как мы уже говорили в самом начале, он испустит фотон. Этот фотон «толкнет» следующий атом, и тот тоже свалится в нормальное состояние, в свою очередь испустив такой же фотон. И так далее. Возникнет «эффект домино»: падение одного камня вызовет цепную реакцию падения всех. (Такой эффект согласованного излучения многих атомов сразу лежит, кстати, в основе действия лазеров.) Заменим теперь наш кристалл вакуумом, а отдельные атомы — отдельными кусками или участками этого вакуума. Проваливание всего вселенского вакуума на «нулевое состояние» должно происходить таким же образом: случайно свалится первый участок, а от него пойдет во все стороны цепная реакция проваливания всех остальных. Что может быть причиной самого первого обвала? Эквивалент «фотона», то есть появление какого-то сгустка энергии в этом объеме вакуума. Такую энергию может породить соударение каких-нибудь космических частиц. Вот она, брешь: уже миллионолетия Землю (и все прочее во Вселенной) непрерывно бомбардирует мощнейший поток таких частиц — и ничего, Вселенная не исчезает. Стало быть, ей и некуда исчезать; стало быть, вакуум уже находится в самом низком энергетическом состоянии; стало быть, это не ложный, а истинный вакуум.

Можно было бы еще рассказать о том, как неугомонные Тэрнер и Вилчек придумали следующую пугающую возможность для многострадального вакуума и что думают о ней другие ученые, о том, как ученые изучают вакуум с помощью ускорителей, и о том… Но статья и так затянулась. Будем надеяться, что она все-таки затянулась недаром и теперь вы немного лучше будете представлять себе, что такое вакуум, или, перфразируя поэта, «как много в этом звуке для сердца физика слилось, как много в нем отозвалось».

Рафаил Нудельман