Матерія з порожнечі і таємниця вакууму
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
До початку п’ятдесятих років минулого століття накопичилося багато нових фактів. З появою радіотелескопів, з розвитком астрофізичної теорії і техніки почався швидкий підйом космологічних досліджень. Американські астрофізики Бонді і Голд розробили, наприклад, теоретичну модель світу, вільного від всіх парадоксів, нескінченного, вічного і розширюваного. Але за гідність моделі вони заплатили фальшивою монетою. За висловом відомого космолога Густава Йоганович Наана, у цій гіпотезі «сатана виганявся за допомогою Вельзевула».
Справа ось в чому. Якщо світ розширюється, то щільність матерії в кожній його точці повинна безперервно зменшуватися. Бажаючи вберегти Всесвіт від такого «розрідження» , а заразом від невічності, Бонді і Голд висунули ідею самовільного творіння речовини з нічого. Світ завжди був і завжди буде таким, як зараз, – нескінченним і розширюваним. А падіння щільності матерії компенсується творінням речовини.
На думку авторів гіпотези, в кожному літрі простору в середньому один раз на мільярд років повинен з’явитися «нізвідки» один атом водню. Величина незначна. У всьому обсязі Землі за весь час її існування передбачалося виникнення всього лише однієї десятимільйонної частки грама речовини. Однак, як не мізерна здавалася передбачувана добавка речовини, вона була зовсім незаконна і протиприродна.
Фізиці відомі процеси переходу випромінювання в вагому матерію (так зване «народження пар» – виникнення електрона і позитрона з гамма-кванта електромагнітного випромінювання). Тут же – не те. «Потрібно чітко розуміти, – писав Бонді, – що аналізоване творіння є формування речовини не з випромінювання, а з «нічого». Таким чином, мова йшла про повалення фундаментального, абсолютного закону природознавства – принципу несотворності матерії. Це і був той «Вельзевул», який вигадали Бонді і Голд, та фальшива асигнація, якою заплатили вони за свою космологічну гіпотезу.
Принцип несотворності матерії абсолютно непорушний. Не було ще в історії науки навіть натяку на порушення цього матеріалістичного положення Всі спроби поставити його під сумнів закінчувалися провалом. І не дивно, що у своїй первісній формі погляди Бонді і Голда не знайшли підтримки в серйозній науці. Однак головна ідея гіпотези відродилася, як тільки з неї вдалося викинути містику.
ВИТВОРЮЮЧИ ПОЛЕ
Не погодившись з порожніми розмовами про народження матерії «з нічого», американські астрофізики Хойл і Мак-Крей спробували врятувати думку Бонді і Голда, ввівши уявлення про таку собі матеріальну основу творіння речовини. Вони заявили: матерія, що компенсує «розрідження» нескінченного і вічно розширюваного світу, народжується не з нічого, а з особливого «творчого поля» – цілком матеріального, пронизливого весь Всесвіт, але дуже слабкого і тому досі не виявленого.
Математичний символ творчого поля був внесений до рівняння Ейнштейна як якась добавка до тяжіння. І після відповідних викладок ідея отримала «прописку» в теоретичній космології. Колись Ейнштейн видозмінив свої рівняння, бажаючи приписати світу нерухомість і конечність. Тепер додаток тих же рівнянь зроблено з протилежною метою – заради виправдання вічності і нескінченності Всесвіту. Ейнштейн, як ви пам’ятаєте, сам відмовився від свого космологічного члена. Наскільки ж законно нове доповнення його рівнянь?
Взагалі кажучи, передбачення того чи іншого фізичного поля – зовсім не гріх. Свого часу було передбачене мезонне поле ядерних сил, передбачене нейтринне поле. Ніхто не має права заперечувати мислимо інших полів, у тому числі і загадкового «творчого». Однак якщо воно дійсно породжує частинки, то саме повинно поповнюватися за рахунок чогось; без пояснення цього гіпотеза Хойла і Мак-Крея не може бути визнана відповідаючій власним задумам. До речі сказати, вже сьогодні намітилися шляхи перевірки ідеї творчого поля. Якщо воно існує, повинні бути відзначені деякі тонкі особливості розбігання галактик, що відбиваються на «червоному зсуві» їх спектрів. Такі спостереження, безсумнівно, будуть виконані. Почекаємо їх результатів. А поки вчені прикидають й інші варіанти законного, сумісного з принципом несотворності матерії появи частинок з порожнечі.
Естонський філософ і космолог академік Естонської Академії наук Г. І. Наан на одній з доповідей зробив припущення, що носить, мабуть, рекордно сміливий характер. Він висловив свою думку, правда, без серйозного обґрунтування, в напівжартівливій формі, і попередив, що вона не претендує на роль повноцінної гіпотези, але деякі фізики, особливо молодь, були нею захоплені. Що ж це за думка? Перш ніж викладати її, доведеться сказати кілька слів про один з найважливіших розділів фізики наших днів – про теорію елементарних частинок.
ТАЄМНИЦЯ ВАКУУМУ
На початку тридцятих років англійський дослідник Поль Дірак побудував фізичну теорію, в якій поєднав великі швидкості з ницістю розмірів і мас – теорію відносності з квантовими закономірностями поведінки мікрочастинок. Виникла нова фізична дисципліна – релятивістська квантова механіка, що стала основою нинішньої теорії елементарних частинок і увійшла в золотий фонд всієї сучасної науки. Вчення Дірака передбачило відкриття дивовижних явищ – таких, як перетворення речовини в світло, перетворення світла в речовину, штучне творіння «антиречовини». Всі розмови про антиматерію, антисвіт, всі прогнози підкорення космосу за допомогою фотонних ракет лежать в кінцевому підсумку на фундаменті, спорудженому Діраком. А глибинні витоки діраковської теорії покояться в свою чергу на надзвичайно своєрідному уявленні про природу вакууму, порожнечу – ту саму порожнечу, яку ми звикли вважати самою зрозумілою і простою з усього сущого у світі.
По поглядам Дірака, порожнеча не порожня, навіть якщо в ній абсолютно немає електронів, атомів, молекул. Порожнеча – це безмежний океан, битком набитий матеріальними частками, але такими, які нами зовсім не сприймаються. Їх неможливо обмацати або висвітлити. Але ці частинки виявлять себе, якщо яким-небудь способом повідомити їм величезний запас енергії. Справа в тому, що по Діраку власна енергія цих частинок… менше, ніж нуль. Іншими словами, вакуум – це щільне скупчення частинок негативної енергії. Така була вихідна ідея релятивістської квантової механіки Дірака.
Зрозуміло, уявити собі частинку з негативною енергією надзвичайно важко. Це суцільний парадокс. Взяти хоча б те, що вона повинна володіти негативною масою і тому від поштовху вперед зобов’язана рухатися назад. Камінь, з таких частинок злетів би над Землею, як повітряна куля: спробуй, уяви собі подібне!
Але Дірак дав своїм поглядам суворе математичне обґрунтування і, головне, передбачив відкриття перш невідомих фактів. Всі вгадані теоретичною фізикою античастинки – позитрони, антипротони, антинейтрони – не що інше, як «дірки у порожнечі». Фізики «пробили» ці дірки, навчившись наносити досить потужні удари по невидимим часткам негативної енергії, що становить вакуум, і «вибивати» їх звідти.
Справедливості заради варто відзначити, що в нинішній теоретичній фізиці про діраківську модель вакууму згадують не часто. Народження античастинок досліджують за інших, більш формальних позицій – без згадки про простір, «утрамбованним» частинками негативних енергій. Однак, робиться це тільки заради зручності математичних обчислень. Діраковська структура вакууму при цьому аж ніяк не заперечується. Іншої моделі порожнечі ще ніхто не висунув.
Словом, по Діраку наш Всесвіт занурений в невідчутний, але цілком матеріальний і побічно виявлений «фон». Якщо ви усвідомили це, вам буде зрозуміла і думка Г. І. Наана.
НА «ЗУСТРІЧНОМУ» ЧАСУ
Чому б не вважати, каже естонський космолог, що «фон» Дірака – зовсім не суцільна нерухома «жижа», якою її зазвичай уявляли? Куди практичніше думати, що це – цілий невидимий світ. Він рухається, в ньому течуть процеси, відбуваються взаємодії і перетворення. І не страшно, що енергія кожної з його частинок менше нуля. Все одно можливий обмін енергією, можливі, бути може, процеси, при яких якась частка раптом «перескакує» з не спостережуваного «фону» в наш відчутний і видимий світ. Виходить якраз те, чого так потребує космологічна гіпотеза про вічність розширюваного Всесвіту: порятунок Всесвіту від розрідження, мимовільна поява частки з «порожнечі»! Але не «з нічого», як у Бонді і Голда, а з «чогось», бо тепер порожнеча – це не «ніщо», а «щось»!
Ризикнемо піти і далі. Якщо теоретично проаналізувати поведінку тіл негативної енергії, то вийде, що «наші» фізичні закони для них як би «перекинутьс » – знайдуть зворотний сенс. Замість розширення світу розсіювання матерії та енергії, характерних для нашого світу, в «фоні» Дірака повинні відбуватися, навпаки, стиснення матерії, концентрація енергії.
І, нарешті, ще одне міркування, найцікавіше. Фізика тіл негативної енергії приблизно така ж, якою стала б фізика звичайних тіл, але в часі, поточному «навпаки». Незрозуміло? Постараємося пояснити прикладом.
Ви зняли на кіноплівку падіння яблука на землю. Сюжет фільму нехитрий: яблуко, притягуване землею, рухається вниз. Це ви і побачите на екран , якщо пустите плівку, як годиться, – з початку до кінця. Ну , а якщо ви поплутаєте кінці і пустите плівку навпаки – з кінця до початку? Тоді на екрані яблуко, притягуване землею, полетить вгору, тобто поведеться, як тіло негативної енергії (яке від поштовху вперед рухається назад). Але ж, помінявши кінці плівки, ви як би перевернули напрямок течії часу. Отже, в зворотному перебігу часу тіла позитивної енергії поводяться, як тіла негативної енергії.
Ось звідси і слідує думка Наана, що невідчутний світ, співіснує з нашим, рухається і розвивається у зворотному, протилежному часі.
Отже, нашого Всесвіту всюди – в кожній точці, поруч з нами, в нас самих, – можливо, супроводжує інший невидимий Всесвіт, що живе на «зустрічному часі». У ньому – свої, не сприйняті нами матеріальні об’єкти. Він підпорядкований всім законам природи і являє собою цілком «потойбічну» у філософському сенсі світобудову. Його можна сподіватися виявити і експериментально.
Автор: Гліб Анфілов.