Все – есть вакуум!

Все – есть вакуум!

Поскольку физический вакуум – та среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства, нам придется прежде, чем продолжить рассказ о сценарии возникновения нашей Вселенной, посвятить знакомству с этой удивительной средой специальный раздел…

Выйдем на улицу в ясную безлунную ночь и посмотрим на небо. Мы увидим ослепительную россыпь звезд – они везде, куда бы мы ни направили наш взор. Это – звезды нашей Галактики. А за ее пределами на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет – другие галактики, другие звездные системы. Их сотни миллионов и каждая из них состоит из десятков и сотен миллиардов звезд. По современным данным, около 98% вещества Вселенной сосредоточено именно в звездах.

А между галактиками, между звездами – что там? Расстояния между соседними звездами или соседними галактиками во много раз превосходят собственные размеры этих объектов. Звезды и галактики – это лишь отдельные «точки» и «островки» в необъятном космосе.

Перечисление всего того, что заполняет межпланетное пространство, в том числе и пространство Солнечной системы, оказалось бы довольно длинным. Это и плазма – разреженный ионизованный газ, и пылевые частицы, и космические лучи, и метеоритное вещество.

Что касается газа, то в околосолнечном пространстве он главным образом состоит из солнечных частиц. Во время полных солнечных затмений можно видеть солнечную корону, серебристо-жемчужное сияние, окружающее наше светило, закрытое в этот момент непрозрачным лунным шаром. Но это нежно светящееся образование – лишь небольшая часть короны, непосредственно примыкающая к Солнцу. На самом деле корона непрерывно расширяется, и ее частицы уносятся во всех направлениях на сотни миллионов километров, образуя своеобразный «ветер». В районе Земли его скорость составляет около 400 километров в секунду. Этот поток солнечной плазмы так и называют: «солнечный ветер». И название это не просто эффектный литературный образ – солнечный ветер может в полном смысле слова надувать паруса и приводить в движение парусные космические аппараты. Конечно, особые паруса – космические, сделанные из специальной полимерной пленки, площадью в десятки квадратных километров.

Между прочим, такой космический парусник предполагалось запустить по направлению к знаменитой комете Галлея, которая в очередной раз приближалась к Солнцу в 1986 году. Однако ученые все же направили к этой небесной гостье космические аппараты обычного типа…

Таким образом, в сущности мы живем внутри солнечной короны и с полным правом можем считать себя обитателями солнечной атмосферы. Если солнечный ветер до поверхности Земли практически не доходит, не в силах преодолеть магнитного поля планеты и вынужден огибать ее по сторонам, то с межпланетной пылью мы соприкасаемся непосредственно. Ежегодно на поверхность Земли оседает ни много ни мало около миллиона тонн космических пылинок.

Носятся в космическом пространстве и льдинки – замерзшие газы и более крупные метеоритные тела. Издавна считалось, что метеориты бывают каменными, железными и железокаменными. Но не так давно астрономы обратили внимание на любопытное обстоятельство. После пролета по небу так называемых ярких болидов, которые связаны с вторжением в земную атмосферу достаточно крупных космических тел, за очень редкими исключениями в районе, где наблюдалось это эффектное небесное явление (по небу летит, разбрасывая огненные брызги ослепительно яркий шар), выпадения метеоритов почему-то не происходило.

Это обстоятельство получило объяснение в результате наблюдений, проводившихся на протяжении ряда лет чехословацкими и американскими астрономами, создавшими для систематического фотографирования болидов специальные «метеоритные сети».

Итак, большинство космических тел, влетающих в земную атмосферу, поверхности планеты не достигает. Между тем достаточно крупные каменные или железные метеориты должны были бы выпадать на Землю. Почему же они не падают? Куда исчезают?

Ответ напрашивается сам собой: очевидно, метеоритные тела, о которых идет речь, обладают весьма малой плотностью и прочностью и легко разрушаются при движении в атмосфере.

Диффузная материя – то есть газ и пыль имеются и в межзвездном, а судя по последним данным, и в межгалактическом пространстве. Пространство это заполнено и всякого рода электромагнитными излучениями, потоками элементарных частиц, а также различными физическими полями, в том числе гравитационным полем.

А что будет, если из некоторой области космического пространства все это «убрать», удалить все, что только возможно? Что после этого останется – пустота или все же какая-то физическая система с необычными свойствами – вакуум?..

Имеется в виду не тот «технический вакуум», который образуется в результате откачивания воздуха из какого-либо сосуда, а особое состояние материи.

О том, что в природе должна существовать некая «пустота» – «ничто», догадывались еще великие философы древности. Хотя такой выдающийся мыслитель, как Аристотель, подобной точки зрения не разделял. Его удивляло то, что существует «нечто», а не «ничто», однако в своей знаменитой «Физике» он утверждал, что «природа боится пустоты».

Тем не менее было время, когда считалось, что окружающий нас мир состоит из вещества и пустоты – пространства, лишенного материи, своеобразной универсальной арены, на которой разыгрываются все происходящие в природе физические процессы. Картина для своей эпохи в общем-то вполне естественная, само собой разумеющаяся, основанная на каждодневных наблюдениях за окружающей природой, практическом опыте людей, данных классической физики, здравом смысле, наконец. Однако обыденный здравый смысл, как мы многократно отмечали, советчик ненадежный, а наглядные представления скользят по поверхности и не в состоянии проникнуть в сокровенную глубину явлений – вспомним принцип Коперника.

Интересно, что позицию, отличающуюся от аристотелевской, занимал Галилео Галилей, считавший, что хотя природа и боится пустоты, но лишь в определенной степени: упругость твердых тел он объяснял тем, что между составляющими эти тела мельчайшими частицами имеются свободные пространства – своеобразные «поры», не заполненные веществом.

Однако с развитием науки понятие «пустоты» претерпело весьма существенные, более того, принципиальные изменения. Выяснилось, что абсолютной пустоты в природе вообще не бывает. И в этом смысле ближе к истине был все же Аристотель. Ее нет даже там, где полностью отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии выдающийся физик М. Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, пришел к заключению, что материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Любая область пространства всегда заполнена какими-либо видами материи – различными излучениями и полями.

Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось просто вместилищем, заполненным бесчисленными материальными объектами.

Но в начале XIX века развитие оптики заставило ученых задуматься над тем, что представляет собой свет и каким образом он распространяется? Было высказано предположение, что по аналогии со звуковыми волнами, распространяющимися в упругой среде, световые волны также распространяются в особой среде – все заполняющем «эфире». Колебания эфира – и есть световые волны.

Но вскоре был обнаружен факт, вступавший с гипотезой эфира в непримиримое противоречие. Оказалось, что световые волны носят поперечный характер, иными словами, направление колебаний в световой волне перпендикулярно направлению ее распространения. Но поперечные волны могут распространяться только в твердых телах… Эфир же абсолютно твердым быть не может, в противном случае в нем не могли бы двигаться планеты…

И тем не менее в различных вариантах представления об эфире сохранялись еще довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном специальная теория относительности не покончила с ними, на этот раз уже навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель – световое излучение само является материей особого рода.

Казалось, что проблема тем самым возвращается к своему первоначальному состоянию: вакуум – абсолютная пустота.

И только в связи с развитием квантовой физики в начале XX столетия представления о «пустоте» вышли на совершенно новый уровень. Важная роль в развитии этих представлений принадлежала выдающемуся физику-теоретику Полю Дираку.

Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение. «Проблема точного описания вакуума, – писал он, – по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно рассчитывать на правильное описание чего-либо более сложного». Однако задача построения теории физического вакуума оказалась значительно сложнее, чем предполагал Дирак. В частности, из его собственных работ вытекало, что «вакуумное море» почти ничем не проявляет себя.

Тем не менее, по мере дальнейшего развития науки, накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что «физический вакуум» не есть чисто условное изобретение ученых, а реальное физическое состояние материи. Тот же Дирак предполагал, что если из вакуума в результате внешнего энергетического воздействия удастся «выбить» электрон, превратив его в реальную вещественную частицу, то на его месте в «вакуумном океане» должна остаться своеобразная «дырка», обладающая всеми свойствами электрона, но положительным зарядом. И уже спустя год после этого предсказания «положительный электрон» – «позитрон» был экспериментально обнаружен в космических лучах.

В дальнейшем выяснились факты еще более поразительные. Оказалось, что помимо вещества, полей и излучений существует еще одна весьма необычная, образно говоря, «скрытая» форма существования материи – «физический вакуум». Впрочем, «скрытая», но не совсем. В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют и снова уходят в вакуум.

В частности, было установлено, что родившийся из физического вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение исключительно малого промежутка времени – всего 10^-22 с. За это время он никак не может «проявить себя», то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицей.

Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя – отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать…

Это – основное, ключевое утверждение в современных представлениях о вакууме. Любая микросистема все время должна двигаться. В каждом малом объеме пространства непрерывно рождаются пары «частица – античастица». Они рождаются и тут же аннигилируют, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В каждый момент в рассматриваемом объеме существует многообразие частиц и квантов излучения.

Таких элементарных частиц – не только электронов и позитронов, – возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое множество. Подобные «невидимые» частицы назвали «виртуальными». Они одновременно как бы существуют и не существуют! Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергия недостаточна, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали «нулевыми колебаниями вакуума».

Следует признать, что у физиков хорошо развито воображение. Многие названия и термины представители этой науки придумывают в высшей степени удачно. Они не только достаточно точно отражают физическую сущность того или иного явления, но создают его впечатляющий образ.

«Нулевые колебания»… А если не «нулевые»? Возможно ли это? Оказывается, возможно. При определенных обстоятельствах «нулевые колебания» начинают себя проявлять. При этом должны возникать особые эффекты, которые в принципе можно зарегистрировать. И некоторые из них, действительно, зарегистрированы…

Мы вплотную подошли к весьма сложным «материям», к физическим явлениям, которые в окружающем нас мире ни с чем сравнить нельзя, поскольку они ни на что не похожи. Поэтому представить себе подобные явления в наглядных образах практически, увы, невозможно.

Но что поделать, так устроен окружающий нас мир. Он сложен, противоречив и полон самых неожиданных связей. Потянешь за одно «звено», за одну «ниточку», а отзовется не только по соседству, но и в областях, казалось бы, очень и очень отдаленных. Вот и приходится к ответам на интересующие нас вопросы пробираться окольными путями, решая по дороге множество побочных задач…

Но вернемся к физическому вакууму. Похоже, что именно вакуум представляет собой основу всего существующего. Любопытно, что аналогичную идею в свое время высказал в образной форме академик Г.И. Наан. Он говорил, что основу мироздания составляет вакуумный океан, а все вещественные космические объекты – звезды, планеты, туманности, галактики – это лишь «легкая рябь на его поверхности».

В высшей степени любопытна и поучительна история первого эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне реальное. Ученые не без основания называют его «экспериментом века»…

Когда в 1930-е годы Поль Дирак с присущим ему теоретическим блеском точно рассчитал спектр излучения атома водорода – системы, состоящей из протона и электрона, то выяснилось, что так называемый второй энергетический уровень, на котором может находиться электрон, – это в действительности два уровня, слившиеся друг с другом.

Через несколько лет американский физик Леон Пастернак, исследуя оптические спектры водорода, в частности, переход электрона со второго уровня на первый, обнаружил, что вопреки расчетам Дирака при этом возникают не одна, а две спектральные линии. Однако этот результат был получен на самом пределе возможностей прибора, с которыми работал Пастернак, и хотя как спектроскопист он пользовался заслуженной известностью, никто не отнесся к его наблюдению всерьез…

Вторая мировая война способствовала развитию радиолокации. Одним из тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был американский физик Виллис Лэмб. И когда война окончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака. Если второй уровень в самом деле расщепляется на два, рассуждал он, то должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как показывает расчет, соответствующая линия излучения будет лежать в радиодиапазоне. Для проверки этого предположения Лэмб решил воспользоваться списанной радиолокационной аппаратурой, чтобы создать необходимые экспериментальные установки. И когда задуманный эксперимент был осуществлен, Лэмб обнаружил именно то, что и ожидал…

Дирак оказался немного не прав. Он не учел физического эффекта, вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал систему, состоящую из протона и электрона, – и только. А в реальном мире такой изолированной системы просто не существует – есть протон и электрон, погруженные в физический вакуум. Протон – тяжелая частица, и она колебаниям вакуума не поддается, а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом…

Физики говорят, что еще до войны известный советский физик-теоретик Дмитрий Иванович Блохинцев на семинаре академика Игоря Евгеньевича Тамма дал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического вакуума. Но в то время неизбежность «все более странного мира» еще не казалась столь неизбежной. Идея Блохинцева показалась всем настолько необычной, что никто не отнесся к ней с достаточной серьезностью. И соответствующая статья, к сожалению, так и не появилась в печати…

Вообще в конце 1940-х годов физический вакуум для большинства людей, даже близко стоящих к физике, был чем-то прямо-таки «потусторонним».

Но вернемся к явлениям, которые происходят в физическом вакууме и в реальности которых сегодня уже не приходится сомневаться.

Известно, что два разноименных электрических заряда в пустоте притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в какую-либо среду, то благодаря ее влиянию сила взаимодействия между зарядами изменится/Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нем находится, скажем, положительно заряженное ядро, то оно начинает взаимодействовать с виртуальными электронами и позитронами – подтягивает к себе электроны и отталкивает позитроны. Благодаря этому два заряда будут взаимодействовать между собой не совсем по закону Кулона. И это отклонение наблюдается в экспериментах, в частности, в опытах на ускорителях. Например, рассеивание пучка электронов большой энергии на протонах из-за влияния физического вакуума фактически происходит не совсем так, как должно было бы происходить в пустоте. Таким образом, можно считать, что физический вакуум – среда – ничем не «хуже» тех сред, с которыми мы обычно имеем дело. На какую же из известных нам сред он похож – вот в чем вопрос? На металл, полупроводник, диэлектрик, жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих отношениях физический вакуум ведет себя подобно сверхпроводнику…

Сверхпроводимость – чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в некоторых металлах при понижений температуры до 23,4 градуса Кельвина, то есть до минус 250 градусов Цельсия, электрическое сопротивление обращается в нуль. Именно в нуль – не становится пренебрежимо малым, а полностью исчезает.

Однажды ученые провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещенном в жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента открытия явления сверхпроводимости прошло около 40 лет. И теперь мы довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В сверхпроводнике под влиянием кристаллической решетки вещества электроны при определенных условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя связанные пары. Этим парам «выгодно», как физики часто говорят, «сесть» на нижний энергетический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной нулю энергией, обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема обеспечивает движение электронов без трения – а это и есть сверхпроводимость…

В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик, работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько «скрытых» частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.

Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни, «уходить наверх». Коллектив начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать – а в физическом смысле нагреть можно все, что угодно, – то «конденсат» начнет «испаряться», а массы реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 10¹⁶ градусов, в физическом вакууме произойдет фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом – только аналогия.

Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота – особый объект, ни на что не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.

Таким образом, современная физика располагает убедительными доказательствами того, что «физический вакуум в действительности не «ничто», а все-таки нечто».

И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.