Физический вакуум – одна из самых загадочных и сложных концепций в физике. Он не является просто пустым пространством.
Вакуум является одной из форм материи, представляющей состояние квантового поля с наименьшей энергией. Вакуум, представляя полевую материю, состоит из квантов. Так, если вещественная материя состоит из элементарных частиц, то полевая материя состоит из квантов поля, при этом было экспериментально доказано, что вещество гораздо меньше отличается от электромагнитного поля, чем это казалось раньше.
Вот что об этом пишет доктор физико-математических наук, академик Я. Б. Зельдович:
«Само понятие «физический вакуум» появилось в науке как следствие осознания того, что вакуум не есть пустота, но есть «нечто». Он представляет собой чрезвычайно существенное «нечто», которое порождает все в мире, и задает свойства веществу, из которого построен окружающий мир. Оказывается, что даже внутри твердого и массивного предмета, вакуум занимает неизмеримо большее пространство, чем вещество.
Таким образом, мы приходим к выводу, что вещество является редчайшим исключением в огромном пространстве, заполненном субстанцией вакуума. В газовой среде такая асимметрия еще больше выражена, не говоря уже о космосе, где наличие вещества является больше исключением, чем правилом. Видно, сколь ошеломляюще огромно количество материи вакуума во Вселенной в сравнении даже с баснословно большим количеством вещества в ней.
В настоящее время ученым уже известно, что вещество своим происхождением обязано материальной субстанции вакуума, и все свойства вещества задаются свойствами физического вакуума. Наука все глубже проникает в сущность вакуума. Выявлена основополагающая роль вакуума в формировании законов вещественного мира. Уже не является удивительным утверждение некоторых ученых, что «все из вакуума и все вокруг нас – вакуум».»
Я. Б. Зельдович теоретически исследовал и более амбициозную задачу – происхождение всей вселенной из физического вакуума. В своих трудах он показал, что законы природы при этом не нарушаются и строго выполняется, как закон сохранения энергии, так и закон сохранения электрического заряда.
Учёные проявляют повышенный интерес к физическому вакууму в надежде на то, что он откроет доступ к океану чистой энергии, так как квантовая электродинамика указывает на реально существующую в нём энергию, которая обладает очень высоким потенциалом.
В этой главе мы рассмотрим классическое определение вакуума, а затем перейдем к его квантовым свойствам и взаимодействию с материей.
1.1. Классическое определение вакуума: Состояние с минимальной энергией
В классической физике, где мы имеем дело с объектами макромира, вакуум воспринимается как пустое пространство, лишенное материи и энергии. Он является эталонным состоянием, от которого отсчитывается энергия других объектов. Это можно представить как «абсолютный ноль», где отсутствуют какие-либо частицы, поля и взаимодействия.
Пример:
В классической механике, например, потенциальная энергия тела равна нулю, когда тело находится в точке отсчета, где нет никаких сил, действующих на него. В этом случае мы говорим, что тело находится в «вакууме» потенциала, то есть в состоянии с минимальной энергией.
Важно отметить, что это классическое определение вакуума не учитывает квантовые эффекты. В квантовой физике, как мы увидим далее, вакуум оказывается намного более сложным объектом, обладающим своими собственными свойствами и играющим важную роль в формировании Вселенной.
1.2. Проблема классического описания: Недостаточность классической физики для описания квантовых свойств вакуума
Квантовая физика, изучающая мир на микроскопическом уровне, демонстрирует, что вакуум не является статичным и пустым, как утверждает классическая физика. На самом деле, он обладает квантовыми свойствами, которые выходят за рамки классического понимания.
Проблема: Классическая физика не может объяснить следующие квантовые свойства вакуума:
* Квантовые флуктуации: В квантовой теории поля вакуум не является абсолютным нулем энергии, как предполагалось в классической физике. Он подвержен квантовым флуктуациям, спонтанным изменениям энергии и плотности частиц. Это означает, что вакуум не является «пустым», а скорее представляет собой «кипение» виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают.
* Виртуальные частицы: В вакууме постоянно появляются и исчезают виртуальные частицы, которые, хотя и не являются настоящими, оказывают влияние на реальные частицы. Эти виртуальные частицы могут взаимодействовать с реальными частицами, приводя к наблюдаемым эффектам, таким как эффект Казимира.
* Нулевая энергия: Даже в состоянии с минимальной энергией, вакуум обладает ненулевой энергией, известной как «нулевая энергия». Это связано с квантовыми флуктуациями, которые всегда присутствуют в вакууме.
Таким образом, классическая физика оказывается недостаточной для описания вакуума, который в квантовой теории является динамичным объектом с богатой внутренней структурой и свойствами, играющими решающую роль в формировании Вселенной.
1.3. Квантовая природа вакуума: Квантовые флуктуации, виртуальные частицы, нулевая энергия
Квантовая теория поля утверждает, что вакуум не является пустым, а кипит активностью виртуальных частиц, постоянно рождающихся и исчезающих.
Квантовые флуктуации: Эти флуктуации обусловлены принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно точно измерить импульс и положение частицы.
* Флуктуации приводят к тому, что в вакууме постоянно происходят спонтанные изменения энергии и плотности частиц, хотя их среднее значение остается равным нулю.
Виртуальные частицы: Виртуальные частицы не являются настоящими, но их существование можно обнаружить по их влиянию на реальные частицы.
* Они могут взаимодействовать с реальными частицами, например, приводя к поляризации вакуума.
* Виртуальные частицы не могут быть непосредственно наблюдаемыми, но их влияние можно наблюдать экспериментально.
Нулевая энергия: Даже в состоянии с минимальной энергией, вакуум обладает ненулевой энергией, которая называется нулевой энергией.
* Она обусловлена квантовыми флуктуациями и виртуальными частицами.
* Нулевая энергия вакуума имеет важные последствия для космологии, например, она может быть связана с темной энергией.
1.4. Взаимодействие с вакуумом: Поляризация вакуума, эффект Казимира
Вакуум не является пассивным наблюдателем, а активно взаимодействует с материей.
Поляризация вакуума: В присутствии электрического или магнитного поля, вакуум поляризуется, то есть виртуальные частицы в нем ориентируются таким образом, чтобы уменьшить силу поля.
* Поляризация вакуума оказывает влияние на электромагнитные взаимодействия, например, приводит к изменению скорости света.
Эффект Казимира: Это явление, которое демонстрирует влияние вакуумных флуктуаций на реальные объекты.
* Две близко расположенные металлические пластины притягиваются друг к другу из-за уменьшения количества виртуальных фотонов между ними.
Заключение
В этой главе мы рассмотрели, как квантовая теория меняет наше представление о вакууме. В отличие от пустого пространства классической физики, квантовый вакуум является динамичной средой, обладающей ненулевой энергией и способной к взаимодействию с материей.