Борис Штерн - Прорыв за край мира

Давление подо льдом действительно оказалось всего полглыбы на квадратный коготь.

— Чуть больше восьми свистов — вся толщина льда, — сказал Свежая голова.

— А что за ним? Спросил Капитан.

— Наверно то же, что было в стеклянном цилиндре, — пустота, — сказал Мастер. А нельзя ли прозвонить лёд твоей тарелкой?

— Нет, разве что если вморозить ее в лёд, да и то вряд ли. Здесь надо чем-то тяжелым вдарить по льду.

— Это давайте рудокопам оставим, у них есть, чем вдарить, сказал Свежая голова. И поплыли вниз, ради бога, не могу уже, сейчас голова взорвется.

Со всей скоростью, на которую был способен плоскокрпусный сыпо-груз, они начали спуск. «Стремительный» с командой, мучившейся головной болью, шел по спирали — действительно в историю. Они не только открыли давление воды, но и изменили космологию жителей Европы — лёд не бесконечен! Они также открыли новую фундаментальную сущность, наличие которой до этого отрицалось, — пустоту. Кстати, ей еще предстояло сыграть свою огромную роль в технологии.

Как всегда, прозрения приносят новые загадки: а что за льдом? А может быть, и недра не бесконечны? Если сверху есть край у льда, то почем не быть снизу края у недр? Тогда что с той стороны недр? И как вообще выглядит Мир? Как бесконечное полупространство недр со слоем воды, покрытой коркой льда? А дальше бесконечное полупространство пустоты? Подобных гаданий, выливавшихся в жесточайшие споры, хватило еще на несколько поколений, пока не открыли шарообразность Мира, что уже было описано выше.

Так, казалось бы, пустяковый эксперимент меняет картину мироздания и уровень цивилизации. Увы, на нынешней стадии нашего развития таких пустяковых экспериментов, видимо, уже не осталось. Ну а «Стремительный» в конце концов стал одним из центральных экспонатов в музее истории науки. В его грузовом отсеке была установлена копия (оригинал не сохранился) той самой установки, и любой желающий мог приложиться к колесу лебедки…

Мы не зря предварили статью про вакуум рассказом о том, как европиане обнаружили, что их тихая, уютная среда находится под колоссальным давлением.

В классической физике, как и в сознании подавляющего большинства людей, вакуум — это пустота. В квантовой теории поля вакуум — арена действия чудовищных сил, которые оказываются чудесным образом скомпенсированы. Есть способ почувствовать эти силы. Если взять две отполированные пластины металла и свести их на расстояние нескольких микрон, они начнут притягиваться настолько, что это можно реально измерить. Если бы удалось изготовить столь идеальные пластины и фиксаторы, чтобы придвинуть их на 10 нанометров — пластины бы притягивались с силой, эквивалентной давлению атмосферы.

Это так называемый эффект Казимира. Его можно понять только в рамках квантовой теории поля, в которой содержится такое понятие, как нулевые колебания (или нулевые флуктуации) полей в вакууме. Вакуумное среднее значение электромагнитного поля равно нулю. Но средний квадрат знакопеременного поля нулю не равен — такой парадокс. Нулевые колебания прямо не наблюдаются, из них нельзя извлечь энергию: они гасят друг друга благодаря интерференции. Но в них заключена энергия, причем огромная. Если частоты нулевых колебаний не ограничены сверху, то плотность энергии вакуума оказывается бесконечной. Все-таки предел частот должен существовать, об этом пойдет речь ниже. Но в любом случае плотность энергии нулевых колебаний огромна — на много порядков больше, чем плотность энергии, например, в нейтронной звезде. Эту энергию нельзя «черпать», но можно ощутить.

11.1. Хендрик Казимир (1909-2000). Лейденский университет, Нидерланды (фото из «Википедии»)

Металлические пластины в опыте Казимира чуть-чуть влияют на нулевые колебания. Эффект сказывается лишь на самом краю их спектра: пластины обрезают вакуумные колебания электромагнитного поля с длиной волны больше, чем расстояние между ними. В результате плотность энергии нулевых колебаний между пластинами уменьшается — тем сильней, чем меньше зазор, и пластины притягиваются.

Есть еще один тонкий эффект: нулевые колебания влияют на атомы. Согласно релятивистской квантовой механике, разные возбужденные состояния атома водорода, обозначаемые как 2 S 1/2и 2 Р 1/2, должны иметь в точности одинаковую энергию (это следует из решения уравнения Дирака в кулоновском потенциале). Оказывается, их энергии чуть-чуть различаются. Причина та же, что и в эффекте Казимира: эти состояния имеют разную геометрию волновой функции электрона и по-разному взаимодействуют с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Эффект расщепления уровней (он называется лэмбовским сдвигом) рассчитан и измерен с фантастической точностью, так что то, как устроены нулевые колебания электромагнитного поля, мы знаем очень хорошо.

Так удается «зацепить» лишь самую поверхность бездны, которая почему-то не влияет явным образом на наш мир, хотя точно существует. Может быть, она не влияет по той же причине, по какой огромное давление не ощущается жителями океанских глубин? С одной стороны так. Однородная плотность энергии не создает никаких сил, действующих на вещество. Все явления нашего мира чувствительны только к перепаду плотности энергии. С другой стороны совсем не так. Однородная ненулевая плотность энергии влияет на Вселенную как целое через гравитацию. По поведению современной Вселенной мы можем определенно сказать, что плотность энергии вакуума очень мала (хотя и отлична от нуля). И в этом заключается одна из серьезнейших проблем современной физики.

Мы говорили только о нулевых колебаниях электромагнитного поля. Но есть и другие поля — они тоже дают свой вклад. Мы привыкли к тому, что поля связаны с частицами с целым спином — бозонами. Но есть еще и фермионы — частицы с полуцелым спином. Фермионы отличаются от бозонов взаимоотношениями друг с другом: два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Именно поэтому электроны в атомах распределены по разным оболочкам. Еще Дирак предположил, что вакуум является «морем» фермионов с отрицательной энергией, где все возможные состояния заполнены — поэтому нормальные поля и частицы с положительной энергией этого моря не чувствуют. Но море Дирака имеет отрицательную плотность энергии! Именно на этом пути ищут решение проблемы энергии вакуума: положительная плотность энергии нулевых колебаний бозонных полей компенсируется отрицательной плотностью энергии моря Дирака. Но поля есть совершенно разные, и частицы разные, и между ними нет никакой явной симметрии. А точность компенсации должна быть огромной. Значит, должна существовать очень фундаментальная симметрия, зануляющая энергию вакуума. Но подобная симметрия неизвестна! Нулевая энергия вакуума была и остается болевой точкой современной физики. К этому вопросу мы еще вернемся.