Алексей Алексенко /

Теория пустого места

Финские физики, паявшие усилитель, с удивлением увидели свет, исходящий из ничего

Иллюстрация: Getty Images/Fotobank
Иллюстрация: Getty Images/Fotobank
+T -
Поделиться:

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.

Комментировать Всего 27 комментариев

бррр) всю жизнь считала, что "ничего" не существует. 

Эту реплику поддерживают: Alexei Tsvelik

Ну как же "ничто" может не существовать: ведь должно быть какое-то пустое место между "чем-то" и "чем-то"? :-) Да вообще чтобы куда-то засунуть "что-то", там должно быть пустое место, опыт шкафа нас этому учит.

кому оно должно, пустое место? по-моему, никому...

существование "ничего" не доказуемо экспериментально, потому что любой эксперимент - суть наблюдение за "чем-то")) так что "ничто" - категория скорее идейная. т.е. описанный в статье эксперимент, по-моему, нормальненько укладывается в картину бытия. шаблон не рвёт, нет)

Меня тоже тема зеркал с детства волновала

я ставил зеркала параллельно друг другу и в одном проковыривал маленькую дырочку. И смотрел :)

а всё таки

как-то Harry-Potter-но у Вас получилось. На самом-то деле всё не совсем так, а точнее совсем не так :)

;-) Ну так для этого же тут есть кнопка "комментировать" – сделайте поправки в любом объеме, в котором считаете необходимым.

;) с одной-то стороны конечно, а с другой, стоит ли портить сказку своим прагматизмом?

Ну, прагматизм не всегда оборачивается занудством. Хотя бывает. А так в принципе правда всегда прекраснее фантазии.

Вы начните маленькими порциями, а я вас остановлю, как только вы используете без пояснений первое слово, не несущее никакого смысла для читателей.

По славной традиции ничего не поняла, но вдоволь насладилась речевой эстетикой и эмоциональной полноценностью автора.

Эту реплику поддерживают: Иосиф Раскин, Алия Гайса, Лариса Новицкая

Я тоже ничего не понял, но вынужден нарушить свою традицию молчать когда не понимаю и признаться , что тоже получаю удовольствие от чтения Алексенко вне зависимости от степени понимания и согласия с.

Эту реплику поддерживают: Лена Де Винне

Но это же ужасно! Если читатели заплывают сюда на пение сладкоголосых сирен, и при этом (если верить Татьяне Пастуховой) получают неправдоподобную информацию о мире – какой зловещий смысл приобретает моя деятельность!

Беда от этих физиков! (это я про Таню :-))) Если бы была на Таня, я бы сказала, что всю лирику нам тут порят! :-)

А насчет того, в чем смысли Вашей деятельности - все с одной стороны проще, а с другой -  аморфнее. Ведь люди дадут разные ответы на вопрос, что они тут делают.  Лично мне такие Ваши песнопения очень нравятся. Активная жизненная позиция заставляет реагировать на содержание в рассказах о злободневном. А тут - чистое искусство вербального плетения, наложенное на трезвую иронию многоопытного эрудированного рассказчика, чье самовосприятие мне очень импонирует. Мало людей говорят по-русски так, что мне форма интересней содержания. Вы - один из них (если что, это был комплимент).

Что же касается способности "понять" материал, который Вы переводите с научного на гражданский, честно говоря, если кто из лириков и правда считает, что способен это понять (а не просто прочесть и пересказать, если память хорошая), пусть первым бросит в меня камень! :-))))

Да ну точно беда :) Я даже попробывала:Физический (ага??) вакуум не обязательно пустота, стоячие волны,  двухмодовое сжатие. И кому это нужно? :) Но вообще, конечно, всё уперается в определение "ничего". Всё таки "ничего" колебаться не может ;)

А без стоячих волн никак не получается? ;-) Что-то такое мировоззренчески важное есть в стоячих волнах?

Ну наверное опыт нужен :) как у Вас :)

Ну всё таки фотонов нет, как частиц, а так-то они какбы есть? :)

Вот Вы же намеренно, наверняка, не упомянули про пример с кораблями. Потому что если всё дело в волнах, то и история уже не такая зазеркальная получается. :)

Не буду больше встрявать, правда. У Вас здорово получается, но этого не понять не попробывав :)

Мне совершенно не легче от того, что они волны. Волны чего, волны откуда? Волны электромагнитного поля? А где, извиняюсь, сами электромагниты? Это просто способ успокоить себя привычно-непонятными терминами.

Нет, конечно, меня лично, и принцип неопределенности тоже не удоволетворяет :) Что это ещё за принципы такие - либо место, либо время. Это уже беспринципность какая-то :) А уж без этого вообще всё сплошной Хогвартс :) с чего бы тогда частицам рождаться и исчезать? Соответственно никаких нулевых колебаний, никаких полей и чудеса :)

Эту реплику поддерживают: Владимир Кайгородов

ничего колебаться не может

А как же тогда теория Большого взрыва? Сначала были ничего, потом взорвалось и постепенно стало все?

Флуктуации (или как теперь принято - флюктуации) вакуума бывают мааааленькие - когда из ничего  рождается пара фотончиков, побооольше - пара частиц с ненулевой массой (частица и античастица) и здоровенькая - вот одной из таких здоровЕньких флуктуаций мы - со всей нашей вселенной - и являемся.

Вот в этом месте поподробнее. Если он идеальный вакуум - то флюктурировать нечему. А если пара частиц была, то она уже была. Так откуда она взялась?

Почему-то (не знаю почему) у меня не вызывает сложности мысль, что из пары маленьких частичек появились и Вы, и я. Но вот как из ничего получились две маленькие частички, у меня почему-то охватить не получается :-)

Ха. Понимали ли бы - получили бы шнобелевку.  Как там у Гегеля - летал дух, а потом взял и опошлился, стал материален.

Вот типа и с вакуумомо такая штука - летает там нечто, чего вроде нет, и когда оно неловко поворачивается, то по несуществующему вакууму проходит несуществующая рябь, от которой возникакю материальные об"екты - но которые потом опять аннигилируют, превращаясь в ничто.

Там столько, в этой физике, фигни понаписано... Ну, вот давайте попробуем так.

Летит фотон- чистая энергия, прям по Гегелю (ну, два фотона, ну да фиг с ними, с деталями). И вдруг - бах - высекает из пустоты - скажем, электрон и позитроном. Только чтобы их высечь, его энергия должна быть большой, той самой E=mc^2, где м - это масса электрона (два фотона - две частицы).

а потом они сразу, как возникли - хрясь, и саннигилировали, породив опять же два фотона - с той же самой E=mc^2 энергией. И ежели мы в этотм момент моргнули - то мы и не увидим, что это эти электрон-позитроны вообще появлялись -летели себе два энергичных фотона, ну и дальше летят.

То есть мы высекли из ваккуума две частицы, и быстро обратно их в ничто и засунули -правда, для этого нам два фотона нужны.

А теперь представьте, что мы и два фотона "одолжили" у вакуума - вот типа они возникли, а потом - бах - и их нету. Путём хитрых наколок физики нас убеждают, что при этом Законы сохранения даже не нарушаются. Ну, нарушаются, но "на микроуровне", а это типо, не считается.

И тогда - мы можем "одолжить" у вакуума два фотона, ими выбить из того же вакуума две "реальные частицы" - главное, потом всё это положить на место, обратить обратно в ничто и пустоту.

Вот такое Вам - ну, грубо и, конечно, искажённо в моём изложении- но предлагает современная физика. Не нравится? Ну, походите по базару, посмотрите - мож, кто получше чё предложит :-)

Эту реплику поддерживают: Лена Де Винне

Спасибо за подробнописание. Завтра на свежую голову прочту и будут много думать. Боюсь только эффект получится, как в том анекдоте: читал пейджер, много думал :-)

Бросьте. Если это действительно интересно - то попробуйте потрясти кого из настоящих физиков, но желательно из тех, кто умеет об"яснять на пальцах.

Я же, посмотрев на все эти "третичные квантования" ( (С) г-на Ширкова) - и на прочие прелести, вовремя понял две вещи:

а) чтобы что-то существенное сделать в современной физике, нужен ещё один Эйнштейн

б) я - не Эйнштейн.

На чём мои отношения с физикой быстро закончились, но к несчастью для физики - задолго до того, как я написал диплом. Потому что мой диплом стоил минимум пятку настоящих (именно настоящих, а не "видных") физиков - пяти прядей седых волос: я им чуть "почти нобелевку" не загубил своим дипломом - исключительно по собственной физической безграмотности :-)

Вы в курсе, что когда две частицы, скажем, два бозона, сталкиваются - то столкновение описывается 120+ диаграммами (6-ой порядок), а за каждой диаграммой - интеграл, да не простой, а сугубо расходящийся?

То есть идея "Матрицы" сааааавершенно не подходит под современную физику - чтобы промоделировать столкновение двух частиц (длящееся пикосекунды), надо на час занять мощность всех суперкомпутеров мира :-)

В общем, в современной физике- одни эпициклы. "Панят эта нефасможна! Эта нада запомнит!"

Эту реплику поддерживают: Лена Де Винне

Владимир, я горжусь знакомством в Вами! :-)))))

Это лишь потому, что знакомство заочное :-P

    Ну так и хочется вспомнить  фразу....  Разруха (  то есть пустое место)  она   ведь в головах,  а не в подьездах....