Лоуренс Краусс - Вселенная из ничего

Мы теперь называем позитрон «античастицей» электрона, потому что оказалось, что открытие Дирака проявлялось повсеместно. Та же физика, что нуждается в античастице для существования электрона, нуждается в таких же частицах для существования почти всех элементарных частиц в природе. У протонов, например, есть антипротоны. Даже некоторые нейтральные частицы, такие как нейтроны, имеют античастицы. Когда частицы встречаются с античастицами, они аннигилируют в чистое излучение.

Хотя все это может звучать как научная фантастика (и антиматерия, несомненно, играет важную роль в «Звездном пути»), мы создаем античастицы все время в наших больших ускорителях частиц по всему миру. Поскольку античастицы в остальном имеют те же свойства, что и частицы, мир, сделанный из антиматерии, будет вести себя так же, как мир из материи, с антивлюбленными, сидящими в антимашинах и занимающимися любовью под анти-Луной. И это простая случайность в нашей жизни, которая, как нам кажется, вызвана гораздо более глубокими факторами, до которых мы дойдем позже, что мы живем во вселенной, которая состоит из материи, а не антиматерии, или во вселенной с равным количеством того и другого. Я хочу сказать, что в то время как антиматерия может показаться странной, она странная в том смысле, что и странные бельгийцы. На самом деле, они не странные, просто мы их редко встречаем.

Существование античастиц делает наблюдаемый мир гораздо более интересным местом, но это также делает пустое пространство гораздо более сложным.

Легендарный физик Ричард Фейнман был первым человеком, который привел нас к интуитивному пониманию того, почему теория относительности предполагает существование античастиц, и который также графически продемонстрировал, что пустое пространство не совсем пусто.

Фейнман понял, что теория относительности говорит нам, что наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, будут по-разному измерять такие величины, как расстояние и время. Например, будет казаться, что время замедляется для объектов, движущихся очень быстро. Если каким-то образом объекты могли бы путешествовать быстрее света, они бы, казалось, двигались бы назад во времени, что является одной из причин, по которой скорость света обычно считают пределом космической скорости.

Ключевым принципом квантовой механики, однако, является принцип неопределенности Гейзенберга, который, как я уже упоминал, утверждает, что для некоторых пар величин, таких как местоположение и скорость, невозможно одновременно определить их точные значения для данной системы. С другой стороны, если вы измеряете данную систему только в фиксированный, конечный промежуток времени, вы не можете точно определить его полную энергию.

Все это означает, что, для очень короткого времени, настолько короткого, что вы не можете измерить скорость частиц с высокой точностью, квантовая механика допускает возможность, что эти частицы ведут себя так, как если бы они двигались быстрее света! Но, если они движутся быстрее света, Эйнштейн говорит нам, что они должны вести себя так, как будто они движутся назад во времени!

Фейнман был достаточно храбр, чтобы воспользоваться этой, казалось бы, сумасшедший возможностью серьезно и изучить ее последствия. Он нарисовал следующую схему электрона, движущегося с места на место, периодически ускоряющегося в середине своего путешествия до скорости, большей, чем скорость света.

Он понял, что теория относительности говорит нам, что другой наблюдатель мог бы альтернативно измерить то, что выглядело бы как показано ниже, при этом электрон будет двигаться то вперед, то назад во времени, а затем снова вперед.

Однако отрицательный заряд, движущийся назад во времени, математически эквивалентен положительному заряду, движущемуся вперед во времени! Таким образом, относительность потребовала бы наличия положительно заряженных частиц с такой же массой и другими свойствами, как у электронов.

В этом случае второй рисунок Фейнмана можно интерпретировать следующим образом: движется один электрон, потом в другой точке пространства из ничего создается пара позитрон-электрон, а затем позитрон встречает первый электрон, и оба аннигилируют. Впоследствии остается один движущийся электрон.

Если вас это не смущает, то необходимо учитывать следующее: на некоторое время, даже если у вас вначале только одна частица, и одна частица в конце, в течение короткого времени есть три движущихся частицы:

В краткий момент посредине, по крайней мере на некоторое время, что-то рождается из ничего! Фейнман красиво описывает этот очевидный парадокс в своей работе «Теория позитронов» (1949 г.), используя восхитительную военную аналогию:

Это как если бомбардир, высматривая одну дорогу через прицел низко летящего самолета, вдруг видит три дороги, и лишь когда две из них сходятся вместе и снова исчезают, он понимает, что он просто пролетал над длинной петлей одной дороги.

Поскольку период времени в течение этой «петли» настолько короткий, что мы не можем прямо измерить все частицы, квантовая механика и теория относительности предполагают, что эта странная ситуация не просто допускается, она возникает обязательно. Частицы, которые появляются и исчезают в масштабах времени, слишком коротких для измерения, называют виртуальными частицами.

Теперь открытие целого ряда новых частиц в пустом пространстве, которых нельзя измерить, очень похоже на множество ангелов, сидящих на булавочной головке. И это была бы примерно такая же бесплодная идея, если бы у этих частиц не было никаких других заметных эффектов. Тем не менее, хотя их нельзя наблюдать непосредственно, оказывается, их косвенные эффекты производят большую часть свойств Вселенной, которые мы знаем сегодня. Мало того, можно рассчитать влияние этих частиц точнее, чем при любом другом научном расчете.

Рассмотрим, например, атом водорода — систему, которую Бор попытался объяснить, разработав свою квантовую теорию, а Шредингер позже попытался описать, выведя свое знаменитое уравнение. Красота квантовой механики была в том, что она могла объяснить определенные цвета света, излучаемого водородом, когда он нагрет, утверждая, что электроны, вращающиеся вокруг протона, могут существовать только на дискретных уровнях энергии, и когда они прыгают между уровнями, они поглощают или излучают только фиксированный набор частот света. Уравнение Шредингера позволяет вычислить предсказанные частоты, и оно дает почти абсолютно правильный ответ.