Теория пустого места

Те, кто переживает из-за того, что современную физику невозможно представить себе наглядно, сами не знают, чего хотят. Я уверен, что если неадаптированная картинка мира хоть на секунду возникнет в моем мозгу, я впаду в апатию и проведу остаток жизни на порносайтах для престарелых, мочась под себя. Это потому, что картинка-то складывается такая, что зазеркалье Кэрролла покажется по сравнению с ней царством логики и здравого смысла.

Вот, кстати, о зазеркалье. Если взять два зеркала и сдвинуть близко-близко, что в них будет отражаться? Этот вопрос мучил меня с далекого детства, очень мне хотелось подглядеть, как выглядит «ничто» и какого оно цвета*, я даже ставил эксперименты. Взрослые говорили мне уверенно: «Ни черта там отражаться не будет». И ошибались. Потому что на самом деле там отражаются виртуальные фотоны. Это называется «эффект Казимира».

Собственно, фокус тут вот в чем. Согласно квантовой механике, миром правит «соотношение неопределенностей». Нельзя одновременно точно узнать, где находится нечто и с какой скоростью оно летит. Точно так же нельзя одновременно точно узнать, когда случается нечто и какова «его» энергия. Если мы возьмем пространство, где ничего нет (например, между двумя зеркалами), про него придется сказать, что там никогда не случается ничего, то есть в любой момент энергия равна нулю, а такое — по соотношению неопределенностей — невозможно. Это значит, что, если верить квантовой механике, там все время что-то рождается и тут же умирает, что-то есть — и вот уже опять ничего нет, но есть что-то другое. Это месиво на грани небытия принято называть виртуальными частицами. Среди них больше всего фотонов (ну, так получается). И вот эти самые фотоны отражаются в зеркалах, когда больше в них отражаться некому.

Теперь сам эффект Казимира. Он состоит в том, что если зеркала сдвинуть близко-близко, то между ними не поместятся фотоны, у которых слишком большая длина волны. Поэтому между зеркалами виртуального месива будет меньше, чем с внешней стороны зеркал. Поэтому там будет меньше давление. Поэтому зеркала притянутся друг к другу.

И правда притягиваются. То есть месиво всего на свете на грани небытия — не математическая или философская абстракция, а совершенно реальная штука. Фотоны, которых на самом деле нет, давят на зеркало. Но увидеть их нельзя по принципиальным причинам: чтобы активировать рецептор в моем глазу, фотону нужна энергия, а ее у него нет, поскольку откуда ж ей взяться у пустого места?

Чтобы увидеть несуществующий фотон, нам нужна вторая часть этой истории — «динамический эффект Казимира». Он состоит в том, что, если зеркало не будет стоять на месте, а как следует наподдаст фотону, он может получить энергию, достаточную для того, чтобы покончить с сумрачным состоянием на грани небытия и стать вполне реальной штуковиной, как я или вы. Собственно, для этого зеркало должно двигаться со скоростью, сравнимой со скоростью света.

Вообще-то для этого не обязательно махать зеркалом: вполне достаточно махать любой границей двух сред с разным показателем преломления (любая такая граница — немножко зеркало). Да и махать не надо, достаточно просто очень-очень быстро этот показатель преломления менять. Вот примерно это и сделали физики из университета Альто в Финляндии.

Как именно они это сделали, зачем им для этого понадобился суперхолодильник и 250 сверхпроводящих квантовых интерферометров, я рассказывать не буду, про это можно прочитать в Scientific American, если очень хочется. Собственно, они сперва делали квантовый усилитель. А потом решили посмотреть, что будет, если усилить им пустое место. И получили настоящие фотоны из ничего.

Собственное, не они первые: пару лет назад это сделали американские ребята с совершенно другим прибором, и это действительно была первая экспериментальная демонстрация динамического эффекта Казимира. Но этот последний опыт особенно мил, потому что допускает простую интерпретацию для таких лохов, как мы с вами. Зайдите в комнату. Измените коэффициент преломления воздуха (ну, например, откройте вентиль баллона с каким-нибудь газом). Если сделать все быстро-быстро, вы увидите свет из «ничего». Слабенький, но свет.

То есть моя детская мечта сбылась, «ничто» можно увидеть. Но отчего-то меня это не радует: вместо сладости познания сокровенной тайны бытия остается горечь недоумения. Потому что, во-первых, как такое может быть, чтобы из ничего получилось что-то**? Во-вторых, хоть даже все люди братья по неспособности представить себе реальный физический мир, некоторые из них знают, что такое квантовый интерферометр SQUID, а другие — нет. То есть наука ушла довольно далеко от моей детской системы из двух обращенных друг к другу зеркал. И мне ее уже не догнать.
_______________________________

* Из рассказа про эффект Казимира смекалистые читатели могут догадаться, что «ничто» между зеркалами отдает фиолетовым оттенком.

** Это и правда одна из загадок физики, и вот почему: между зеркалами нельзя втиснуть некоторые фотоны, но даже и без них туда втискивается бесконечно много фотонов. Это значит, что энергия вакуума — как между зеркалами, так и вне — должна быть бесконечно большой. А разница между энергиями — конечной и маленькой. Эффект Казимира (статический) зависит от разности энергий, но куда более важные штуки зависят от абсолютных значений. Ничто рождает не просто «что-то», а сразу бесконечно много всего, и это плохо. Как при бесконечной энергии пустое место умудряется не схлопнуться в точку, современная физика объясняет десятком разных способов, то есть, по существу, не объясняет никак.