Вакуум полон чудес и частиц

Есть много физических понятий, с которыми знакомы все. Действительно, вес, масса, сила, скорость, свет — эти слова мы произносим на каждом шагу, не задумываясь над тем, что за многими из них стоят целые области науки. «Люблю обычные слова, как неизведанные страны. Они понятны лишь сперва, потом значенья их туманны. Их протирают, как стекло, и в этом наше ремесло». Замечательные строчки Давида Самойлова о поэтическом мастерстве можно считать как бы программой действий и для популяризатора науки. Ну что же, приступим.

Что такое вакуум? Я думаю, у большинства читателей возникнет почти очевидный ответ: пустота. Если в этот момент остановиться, задуматься, не перескакивать мыслью с этой кажущейся простоты, вспомнятся чьи-то слова: «Природа не терпит пустоты». Значит, не пустота. Тогда что же?

«Нечто по имени Ничто» — в самом названии заключен парадокс, противоречие. Оказывается, вакуум — это нечто, обладающее определенными свойствами. Мы даже можем зарегистрировать его влияние на физические явления. Но самое удивительное не то, что у пустоты есть физические свойства, а то, что вакуум может играть фундаментальную роль в явлениях природы. В этом и во многом другом мы попробуем разобраться.

Наш разговор разобьем на три части. Первую посвятим электромагнитному полю — это наиболее разработанная область. Теоретические расчеты здесь опираются на прочный фундамент квантовой электродинамики, а эффекты взаимодействия вакуума и электромагнитного поля наблюдаются экспериментально, это лэмбовский сдвиг, и эффект Казимира, о котором, несомненно, стоит поговорить отдельно.

Во второй части мы поговорим о сверхсильных гравитационных полях. Этот вопрос изучен только теоретически, сама возможность экспериментального наблюдения здесь весьма проблематична. И, наконец, в заключение мы рассмотрим связь вакуума с сильными взаимодействиями. Здесь ситуация особенно сложна: теория сильных взаимодействий создается буквально на наших глазах, с семидесятых годов, она еще не устоялась. Мы будем говорить о пионерских работах; и хотя именно в данной области предлагаются самые интересные гипотезы, все же это пока только гипотезы.

Перед началом разговора уточним понятие: вакуум — это отсутствие вещества, частиц. От полей нам никак не избавиться. И если удалось бы найти уголок Вселенной, где уж совсем ничего нет, то гравитационное поле там все равно присутствовало бы.

Фундаментальное соотношение неопределенностей гласит, что в микромире невозможно одновременно с высокой точностью измерить такие характеристики элементарных частиц, как импульс и координату или энергию и время. По этой причине на очень короткое время возможно появление флуктуаций, то есть случайного изменения в значении энергии. Такие флуктуации энергии появляются в виде частиц: возникает частичка и очень-очень быстро исчезает, так что даже сам закон сохранения энергии не успевает заметить своего нарушения. Такие «легковесные» частицы называют виртуальными. Виртуальные частицы зарегистрировать нельзя, но можно заметить их влияние на частицы «обычные». Например, они изменяют характер движения электрона на его орбите в атоме.

Давайте вообразим, что мы физики- экспериментаторы. Перед нами стоит задача: исследование вакуума. Будем вместе ставить мысленные эксперименты. Вещество мы использовать не можем — как только в вакуум попадает вещество, он перестает быть вакуумом. Поэтому, к великому сожалению, придется отказаться от травления вакуума смесью серной и соляной кислот — излюбленного метода экспериментаторов прошлого. Наши инструменты — поля: электромагнитное, гравитационное, сильное.

Расположим некий объем вакуумом между пластинами конденсатора. Не будем останавливаться на «банке», в которую мы помещаем наш вакуум,— предположим, что она идеальна: не загрязняет вакуум своими испарениями и не пропускает ничего сквозь стенки. Постепенно начинаем увеличивать напряжение на конденсаторе — пока ничего не меняется, вакуум остается вакуумом. В мысленных экспериментах мы всемогущи и можем увеличивать напряжение беспредельно. Для того чтобы представлять себе численные масштабы нашего опыта, напомним, что при напряженности поля тридцать киловольт на сантиметр происходит пробой в воздухе, то есть воздух начинает проводить ток.

В нашем мысленном эксперименте мы доходим до напряженностей поля в тысячу миллиардов вольт на сантиметр, и пока ничего не происходит. Ну что же, прибавим еще немного. И вот в один, несомненно, чудесный момент в нашем вакууме появляются вполне реальные частицы — электроны и позитроны. Как наблюдательные экспериментаторы отметим, что число положительных частиц равно числу отрицательных — суммарный заряд сохраняется прежним, равным нулю. И только зафиксировав показания всех приборов, позволим себе выразить эмоции и обменяться впечатлениями. Вакуум рождает частицы, Ничто рождает Нечто. Лично у меня создалось впечатление, что вакуум «не выдержал» так же, как и воздух несколько раньше.

И хотя выражение «пробой вакуума» звучит парадоксально и сравнение мое наверняка можно подвергнуть критике, тем не менее, согласитесь, что-то похожее есть.

Итак, уже первый наш мысленный эксперимент приводит к удивительным результатам: во-первых, частицы рождаются, казалось бы, «из ничего», а во-вторых, в поведении вакуума можно увидеть аналогию с пробоем диэлектрика. Отметим, что не нарушаются никакие законы сохранения — масса позитрона и электрона возникает за счет энергии электромагнитного поля. Причем, то обстоятельство, что эксперимент мысленный, отнюдь не значит, что он неосуществим. Просто пока технически невозможно достигнуть таких напряжений.

Однако уже сегодня физики готовятся к исследованию явления, которое мы наблюдали мысленно. И собираются наблюдать его на опытах с элементарными частицами. Поясним, почему. Закон Кулона гласит: электрическое поле между зарядами растет с увеличением зарядов и уменьшается с увеличением расстояния. Значит, искать поля сверхсильных напряжений, которые нам необходимы, надо в физике малых расстояний. Ядро урана имеет заряд в 92 электронных заряда (с другим знаком, конечно). Нужное нам электрическое поле создается, если сблизить два таких ядра до расстояния 10^-11 сантиметра. Для ядерной физики это совсем не маленькое расстояние — оно в несколько десятков раз больше размеров самих ядер.

К сожалению, легко сказать «возьмем ядра урана» — сделать это очень сложно и еще сложнее осуществить их сближение. Представьте себе: надо ободрать с атома урана девяносто два электрона, вот из таких ободранных атомов составить пучки частиц и сталкивать их между собой. Еще одну возможность создать сверхполя дало бы «изготовление» ядер с количеством протонов больше ста семидесяти, но на сегодня ядер с зарядом больше ста четырнадцати нет, и многие ученые, например, считают, что получение заряда сто семьдесят едва ли возможно в принципе.

И, тем не менее, удается найти выход — разогнать пучок тяжелых ионов (необязательно урана, можно с меньшим зарядом) и направить его на мишень, содержащую тяжелые ядра. При столкновении на очень короткое время ядро-мишень и ядро-снаряд могут почти слиться. На это время и может образоваться сгусток ядерной материи с нужным нам зарядом. Такие опыты проводятся, хотя точности пока не хватает для наблюдения столь ожидаемого нами эффекта. Но, несмотря на значительные экспериментальные трудности, можно ожидать здесь результатов в ближайшее время.

Итак, вакуум — пустота, но в определенных условиях он может и частицы образовывать. Вполне допустима и такая точка зрения: где-то в вакууме эти частицы уже были запрятаны, а сверхсильное наше поле как бы вытаскивает их из тайника. В общем, простор для сравнений и фантазий очень широкий — предоставляем читателям возможность самостоятельно наслаждаться этим увлекательным занятием.

Все предметы в нашем мире притягиваются друг к другу. Реально же мы видим и ощущаем притяжение только Земли. Это связано с тем, что закон всемирного тяготения очень похож на закон Кулона,— сила притяжения пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна расстоянию между ними. К сожалению, у нас нет возможности даже мысленно менять гравитационные поля на Земле, как это получалось с электромагнитным в предыдущем эксперименте. Придется поискать подходящий инструмент для наших исследований в космосе. Мы имеем уже некоторый «опыт в работе» с вакуумом: знаем, при какой величине напряженности поля происходит рождение частиц. Довольно простой расчет показывает, что нужные нам гравитационные поля могут создаваться телом и массой, равной массе Земли, но размерами не больше горошины. Этот объект невозможно представить себе, даже самые плотные вещества в земных условиях имеют плотность в миллиарды миллиардов раз меньшую. Поэтому я и предложил поискать столь экстравагантный экземпляр в космических просторах — больше податься некуда.

Чтобы хоть немного облегчить «процесс воображения» нашего инструмента, опишем вкратце возможный процесс его образования. Обратимся к звездам. В них противоборствуют процессы сжатия и расширения. Гравитационные силы всегда стремятся сжать звезду. Внутри звезды при огромных температурах идут процессы термоядерного синтеза, выделяется энергия. Как бы непрекращающиеся взрывы расталкивают звезду. Однако по прошествии многих миллионов лет все термоядерное горючее выгорает, и уже ничто не препятствует сжатию звезды гравитационными силами. Она сжимается до невообразимо плотного состояния. Образуется новый объект — «черная дыра».

Мы, конечно, сильно упрощаем картину процесса, потому что в наши планы не входит его внимательное изучение. И хотя «черная дыра» интересна сама по себе, нас интересует только то, что вокруг нее создается сверхсильное гравитационное поле. Поле такое сильное, что ни один предмет, ни одна частица и даже луч света не могут покинуть окрестности «черной дыры». Это свойство и определяет ее название. И вот вблизи этого объекта вакуум опять рождает частицы. Здесь надо подчеркнуть, что рассмотренный процесс в некотором смысле не мысленный эксперимент, а, скорее, мысленное наблюдение. Теория категорически утверждает: вакуум в районе «черной дыры» производит частицу. Ведь экспериментом мы обычно называем нечто, искусственно организованное. А «черные дыры» есть на самом деле (согласно выводам из теории, разделяемым большинством физиков).

И наконец, следуя намеченной экспериментальной программе, переходим к сильному взаимодействию. Известно, что в природе существует всего четыре типа взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Сильное взаимодействие названо так не зря: оно связывает в ядра протоны и нейтроны, причем ядра — очень прочные системы, хотя все протоны имеют положительный заряд и, значит, «расталкиваются» по закону Кулона.

Современная теория сильных взаимодействий — квантовая хромодинамика — начала создаваться в семидесятые годы прошлого века и очень интенсивно развивается сейчас. Ее основные положения таковы: все сильно взаимодействующие частицы состоят из нескольких разновидностей кварков — частичек с дробными зарядами и очень маленькими массами, взаимодействуют они посредством восьми других частиц — глюонов, и сила взаимодействия увеличивается с ростом расстояния между кварками.

Вот так вот в немногих строках мы изложили всю теорию сильных взаимодействий — естественно, трудно здесь понять что-либо. Будем разбираться. Что такое кварки — более или менее понятно: все вещества состоят из атомов, атомы из ядер и электронов, ядра из протонов и нейтронов, ну а протоны и нейтроны — из кварков. Просто следующая ступенька в познании структуры материи — принципиально ничего нового. Необычно то, что кроме хорошо знакомых нам заряда и массы у кварков есть новая характеристика — цвет или цветовой заряд. Характеристика эта подобна электрическому заряду: электрические силы действуют между электрическими зарядами, а «сильные» силы — между цветовыми зарядами. Только электрический заряд один, а цветовых — три.

Введение понятия цвета помогает если не объяснить, то проиллюстрировать возможную причину невылетания кварков из ядер. Частицы с дробными зарядами долго и тщательно искали, но безуспешно. Можно пытаться объяснить это тем, что цветные кварки просто не могут существовать по отдельности, друг без друга. Реально существуют лишь бесцветные протоны, нейтроны и другие частицы. Смесь кварков трех цветов дает бесцветную частицу. Не очень понятно, но привыкнуть можно.

Продолжаем аналогию с электродинамикой. Там заряды взаимодействуют посредством фотона, цветные заряды взаимодействуют с помощью очень похожих на фотон частиц — восьми цветных глюонов. Правда, закон взаимодействия в данном случае очень отличается от кулоновского — сила взаимодействия растет с увеличением расстояния.

Можно сказать, что квантовая электродинамика — это наука о взаимодействии зарядов посредством электромагнитного поля, а квантовая хромодинамика — наука о взаимодействии цветовых зарядов посредством глюонных полей. И то и другое взаимодействие описывается при помощи математических методов квантовой теории поля.

В квантовой теории поля вакуум определяется довольно абстрактно, как состояние поля с наименьшей возможной энергией. Если сравнить с нашим естественным определением, вроде все разумно — в нашем вакууме-пустоте, где ничего нет, и энергия минимальна. Так вот, в квантовой хромодинамике состояние с наименьшей энергией имеет место при отличном от нуля значении глюонного поля. То есть ситуация более чем странная — энергия минимальна, перед нами вакуум, а глюонное поле имеет некую среднюю энергию, больше нуля.

Мы дошли до очень важного момента в нашем изложении. Далее будем всячески пояснять его, пытаться приводить сравнения, чтобы хоть немного лучше выявить суть дела. В обычных условиях виртуальные частицы вакуума (связанные с электромагнитным и другими «привычными полями») оказывают ничтожно малое воздействие на физические процессы, например, совсем чуть-чуть влияют на движение электрона в атоме. В квантовой хромодинамике принципиально то, что влияние вакуума на физику микромира не является малой поправкой к протекающим процессам, а, возможно, в значительной степени определяет строение элементарных частиц, их размеры, структуру и массу.

Вернемся к нашему «заполненному» вакууму. Итак, при построении теории сильного взаимодействия элементарных частиц появляется ненулевое среднее значение глюонного поля в вакууме. Как это себе представить? Большинству физиков нравится тут аналогия со сверхпроводником. В сверхпроводимости электроны образуют пары, и дальше эти пары существуют и движутся без сопротивления в проводнике. Наши глюоны тоже связываются попарно, и весь вакуум заполнен вот такими глюонными парочками. Нас они не трогают, потому что мы с вами состоим из бесцветных ядер различных элементов, а глюоны взаимодействуют только с цветными кварками. Конечно, бесцветные ядра сделаны в конечном счете из цветных кварков, но этот «цветовой» заряд как бы запрятан, скомпенсирован, и снаружи его не видно. Вообще, ничего особенно экстравагантного: мы не слышим ультразвука, не видим ультрафиолотевого цвета, а «бесцветные» ядра не «видят» и не «слышат» цветных глюонов.

Присутствие в вакууме ненулевого среднего глюонного поля можно представить себе как «глюонный конденсат». Тут можно провести аналогию с конденсацией водяного пара при снижении температуры: движемся в направлении уменьшения энергии, глюоны собираются в пары, и при минимуме энергии — в состоянии вакуума — свободных глюонов уже нет, остается возможность существования только для «глюонного конденсата».

Есть гипотеза о том, что именно «глюонный конденсат» отвечает за невылетание кварков из частиц. Мы уже выяснили, что бесцветная частица не чувствует воздействия со стороны глюонов. Но как только цветной кварк попытается вылететь из своей частицы-домика, он наталкивается на мощное сопротивление глюонного конденсата: цветные глюоны сильно взаимодействуют с цветом, а значит, и с цветным кварком.

Оказывается, наш невесомый и непонятный вакуум может определять размеры частиц, разрешать кваркам разлетаться лишь до определенного расстояния.

До сих пор мы говорили лишь о глюонном конденсате. Оказывается, в квантовой хромодинамике возникает представление и о кварковом конденсате. Вещь, абсолютно аналогичная глюонному конденсату, и проявляется квантовый конденсат в том, что квадраты средней напряженности кварковых полей не равны нулю. Причем это не гипотеза, а строгий вывод, неотъемлемая часть квантовой хромодинамики. Квантовую же хромодинамику сейчас все уверенней называют теорией сильных взаимодействий.

Посмотрим теперь, как проявляется кварковый конденсат в жизни микромира. Для этого придется немного поговорить о спектре масс элементарных частиц. Словосочетание «спектр масс» означает то, что элементарных частиц много — несколько сотен, и у каждой своя определенная масса, и массы эти — разные.

Факт одновременно и удивительный и огорчительный: кварков по теории мало, сегодня мы знаем, что есть пока пять, возможно появление шестого, взаимодействуют они друг с другом одинаково, а вот откуда берется такое многообразие масс у элементарных частиц, непонятно. И вот, изучая этот вопрос в рамках квантовой хромодинамики, теоретики получили еще один удивительный «вакуумный» эффект: массу протона можно выразить через величину вакуумного среднего кварковых полей. Коэффициент пропорциональности в такой формуле — просто число. Рассчитать его довольно трудно, но сделать это удалось.

Итог наших исследований поля сильного взаимодействия таков: размеры и массы элементарных частиц, как и «невылетание» кварков, определяются ненулевым глюонным конденсатом. Вакуум, значит, задает строение частиц и Вселенной в целом. Подчеркнем еще раз, что это гипотеза, но гипотеза, имеющая под собой довольно прочный фундамент. Складывается такая ситуация: пытаясь понять, как взаимодействуют между собой элементарные частицы, мы узнаем все новые черты вакуума, и оказывается, что именно вакуум, вероятно, определяет основные черты интересующего нас взаимодействия.

Получается диалектика в чистом виде: от частиц мы движемся к их отрицанию — вакууму, а потом — отрицание отрицания — возвращаемся к пониманию структуры элементарных частиц, но уже на качественно новом, более глубоком уровне.

Автор: А. Семенов.