Вакуум: возможно ли создать что-то из ничего?
Прежде всего, бомба: когда учитель средней школы сказал, что ничего не существует в вакууме, она упростила эту информацию по педагогическим соображениям. Для содержания класса этого утверждения обычно более чем достаточно. Но правда заключается в том, что, как и многие другие предметы в колледже, этот предмет также скрывает секреты, изученные в углубленных темах дисциплины. Доказательством этого являются эксперименты, о которых сообщается в статье «Вакуумная упаковка», статье, опубликованной в журнале New Scientist от 18 февраля 2012 года.
Хотя в вакууме нет материи, квантовая физика учитывает тот факт, что эти области содержат минимальное количество энергии, а также электромагнитные и гравитационные поля. Следовательно, вакуум нельзя считать полностью пустым.
Кроме того, в этих пространствах также присутствуют частицы и античастицы, которые все время образуются и разрушаются. Эти странные «маленькие существа» квантового зоопарка - известные как виртуальные частицы (или античастицы) - не могут быть обнаружены по отдельности. Однако они способны вызывать реакции, которые можно измерить, такие как эффект Казимира. Эта вспышка частиц известна как квантовая вакуумная флуктуация.
Понимание эффекта Казимира
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир попытался понять, как существуют коллоиды, то есть, как сохранить смесь, в которой вещество одного типа диспергировано в другом, например, такие как жировые шарики в водном растворе молока. Силы между молекулами в такой среде падают быстрее с расстоянием, чем традиционные расчеты, основанные на силе Ван-дер-Уолла.
Чтобы найти адекватное решение проблемы, Казимир последовал совету физика, чьи работы были основополагающими для создания квантовой физики, Нильса Бора: рассмотрим действие вакуума между молекулами смеси. Очевидно, что вычисление флуктуации энергии в сложной молекулярной структуре коллоида было бы невозможно. Поэтому Казимир предложил более простую модель: две идеально выровненные металлические пластины, плавающие в вакууме.
Поскольку вакуум полон энергетических волн, содержащих энергию, согласованность этих волн более ограничена между двумя пластинами, в результате чего в этом пространстве появляется меньше частиц. В результате плотность энергии между двумя пластинами ниже, чем в открытом пространстве, это создает перепад давления, который толкает одну пластину к другой.
Эта сила, однако, очень мала: две отдельные 10-нанометровые пластины ощущают силу, сравнимую с весом атмосферы над нашими головами. Таким образом, доказать существование этой силы очень сложно, так как она может быть изменена гораздо большими силами, действующими на одну и ту же смесь.
Только в 1996 году Стивен Ламоро, физик из Университета Вашингтона в Соединенных Штатах, смог тщательно изолировать все другие эффекты, которые могут повлиять на эксперимент, и, таким образом, обнаружил крошечную остаточную силу, действующую на металлическая пластина и сферическая линза, толкающие друг друга. Таким образом, казалось доказанным, что действие вакуума было реальным.
От этого другие очень интригующие эксперименты начали изменять нашу концепцию небытия. Ламоро и его команда также подтвердили, например, что квантовые колебания вакуума увеличивались с ростом температуры. Но еще более интригующие дела должны были прийти.
И пусть будет свет!
В ноябре 2011 года ученые из Технологического университета Чалмерса в Швеции решили использовать идеи эффекта Казимира в обратном порядке, как это было предложено американским физиком генералом Муром в 1970 году: если бы мы могли быстро перемещать два зеркала, одно за другим, колебание Квант, присутствующий в пространстве между ними, мог быть сокрушен настолько сильно, что его энергия была бы выпущена в форме фотонов. Теория стала известна как динамический эффект Казимира.
На практике даже очень маленькое зеркало не могло быть перемещено так быстро, поэтому физик Крис Уилсон и его команда предложили некоторые изменения в идеях Мура, чтобы воплотить их в жизнь: они использовали быстро меняющиеся электрические токи для имитации эффекта. зеркала, которые можно было бы разогнать примерно до ¼ скорости света. Результат был ожидаемым: образование пар фотонов, которые возникли из вакуума и могли быть измерены как микроволновое излучение.
Но наряду с существованием эффекта Казимира, эксперимент в то время был также опровергнут другими физиками, которые не верят, что эксперимент фактически моделировал идеи Мура. Уилсон защищает себя, говоря, что эксперимент был проведен со всеми необходимыми мерами предосторожности и испытаниями, включая доказательство того, что они даже начинали с вакуума. А в интервью журналу «Нью» он воспользовался ситуацией и закрепил своих соперников: «Для некоторых людей динамический эффект Казимира всегда будет отражаться в быстро движущемся реальном зеркале».
Так же, как эффект Казимира, но в отличие от
Еще один любопытный эксперимент был проведен Стивеном Джонсоном и его коллегами из Массачусетского технологического института (MIT). Они рассчитали, что эффект Казимира можно инвертировать, то есть вместо того, чтобы действовать как своего рода клей для двух наноразмерных объектов, его можно использовать для оказания противодействия, то есть отталкивать один объект от другого.
Для этого физики изменили форму металлических пластин, добавив конструкции, напоминающие зубцы молнии. Это, в теории, сделало бы силу между ними отталкивающей. В более недавнем исследовании, проведенном в Университете Коимбры, Португалия, исследователи Станислав Масловски и Марио Сильвейринья теоретизировали подобный эффект, используя металлические «наностержни», которые создавали силу отталкивания, способную левитировать металлические нанобары.
На практике этот эффект может, например, привести к созданию наноразмерных зубчатых колес и двигателей, способных работать без трения между деталями. Но реализация этого на практике потребовала бы разработки новых инструментов, которые могли бы выровнять эти наночастицы так, чтобы вакуум между их атомами не заставлял квантовые флуктуации работать в разных направлениях.
Вакуум и научный скептицизм
Таким образом, можно сделать вывод, что эксперименты, проведенные в последние годы, больше верили в теории десятилетий назад, демонстрируя, что как квантовые флуктуации, так и эффект Казимира реальны. Тем не менее, не все физики купили эту идею.
Многие исследователи против эффекта Казимира или квантовых флуктуаций вакуума утверждают, что эти темы стали популярными, потому что математика за ними очень проста. Для Джулиана Швингера, лауреата Нобелевской премии по физике 1965 года, эти эффекты возникают из-за квантового взаимодействия между зарядами вещества, а не самого вакуума.
Возможно также, что доказательство этих явлений является своего рода парадоксом: мы можем доказать существование вакуумной энергии, только добавляя в нее вещество, и мы рискуем исказить эксперименты. Между тем, Крис Уилсон, который ничего не пролил, надеется, что другие исследовательские группы смогут обосновать данные, которые находит его команда, и немного больше поддерживают возможность того, что определенные явления могут действительно быть реальными.
Как бы ни раздражал процесс доказательства, именно этот скрытый скептицизм делает науку настолько надежной. В конце концов, это даже хорошо, так как это может привести к более интригующим подобным экспериментам, о которых будет сообщено в будущем.
Рекомендуем
