Вакуум сповнений чудес і частинок

Є багато фізичних понять, з якими знайомі всі. Дійсно, вага, маса, сила, швидкість, світло — ці слова ми вимовляємо на кожному кроці, не замислюючись над тим, що за багатьма з них стоять цілі галузі науки. «Люблю звичайні слова, як незвідані країни. Вони зрозумілі лише спершу, потім значення їх туманні. Їх протирають, як скло, і в цьому наше ремесло». Чудові рядки Давида Самойлова про поетичну майстерність можна вважати як би програмою дій і для популяризатора науки. Ну що ж, приступимо.

Що таке вакуум? Я думаю, у більшості читачів виникне майже очевидна відповідь: порожнеча. Якщо в цей момент зупинитися, задуматися, не перескакувати думкою з цієї уявної простоти, згадаються чиїсь слова: «Природа не терпить порожнечі». Значить, не порожнеча. Тоді що ж?

«Щось на ім’я ніщо» – в самій назві укладений парадокс, протиріччя. Виявляється, вакуум – це щось, що володіє певними властивостями. Ми навіть можемо зареєструвати його вплив на фізичні явища. Але найдивовижніше не те, що у порожнечі є фізичні властивості, а те, що вакуум може грати фундаментальну роль в явищах природи. У цьому і багато в чому іншому ми спробуємо розібратися.

Нашу розмову розіб’ємо на три частини. Першу присвятимо електромагнітному полю – це найбільш розроблена область. Теоретичні розрахунки тут спираються на міцний фундамент квантової електродинаміки, а ефекти взаємодії вакууму та електромагнітного поля спостерігаються експериментально, це лембівський зсув, і ефект Казимира, про який, безсумнівно, варто поговорити окремо.

У другій частині ми поговоримо про надсильні гравітаційні поля. Це питання вивчено тільки теоретично, сама можливість експериментального спостереження тут вельми проблематична. І, нарешті, на закінчення ми розглянемо зв’язок вакууму з сильними взаємодіями. Тут ситуація особливо складна: теорія сильних взаємодій створюється буквально на наших очах, з сімдесятих років, вона ще не устоялася. Ми будемо говорити про піонерські роботи; і хоча саме в даній області пропонуються найцікавіші гіпотези, все ж це поки тільки гіпотези.

Перед початком розмови уточнимо поняття: вакуум — це відсутність речовини, частинок. Від полів нам ніяк не позбутися. І якщо вдалося б знайти куточок Всесвіту, де вже зовсім нічого немає, то гравітаційне поле там все одно було б присутнє.

Фундаментальне співвідношення невизначеностей свідчить, що в мікросвіті неможливо одночасно з високою точністю виміряти такі характеристики елементарних частинок, як імпульс і координату або енергію і час. З цієї причини на дуже короткий час можлива поява флуктуацій, тобто випадкової зміни в значенні енергії. Такі флуктуації енергії з’являються у вигляді частинок: виникає частинка і дуже-дуже швидко зникає, так що навіть сам закон збереження енергії не встигає помітити свого порушення. Такі «легковагі» частинки називають віртуальними. Віртуальні частинки зареєструвати не можна, але можна помітити їх вплив на частинки «звичайні». Наприклад, вони змінюють характер руху електрона на його орбіті в атомі.

Давайте уявимо, що ми фізики-експериментатори. Перед нами стоїть завдання: дослідження вакууму. Будемо разом ставити уявні експерименти. Речовину ми використовувати не можемо — як тільки в вакуум потрапляє речовина, він перестає бути вакуумом. Тому, на превеликий жаль, доведеться відмовитися від травлення вакууму сумішшю сірчаної і соляної кислот — улюбленого методу експериментаторів минулого. Наші інструменти – поля: електромагнітне, гравітаційне, сильне.

Розташуємо якийсь обсяг вакуумом між пластинами конденсатора. Не будемо зупинятися на «банці», в яку ми поміщаємо наш вакуум,— припустимо, що вона ідеальна: не забруднює вакуум своїми випарами і не пропускає нічого крізь стінки. Поступово починаємо збільшувати напругу на конденсаторі – поки нічого не змінюється, вакуум залишається вакуумом. В уявних експериментах ми всемогутні і можемо збільшувати напругу безмежно. Для того щоб уявляти собі чисельні масштаби нашого досліду, нагадаємо, що при напруженості поля тридцять кіловольт на сантиметр відбувається пробій в повітрі, тобто повітря починає проводити струм.

У нашому уявному експерименті ми доходимо до напруженостей поля в тисячу мільярдів вольт на сантиметр, і поки нічого не відбувається. Ну що ж, додамо ще трохи. І ось в один, безсумнівно, чудовий момент в нашому вакуумі з’являються цілком реальні частинки – електрони і позитрони. Як спостережні експериментатори відзначимо, що число позитивних частинок дорівнює числу негативних — сумарний заряд зберігається колишнім, рівним нулю. І тільки зафіксувавши показання всіх приладів, дозволимо собі висловити емоції і обмінятися враженнями. Вакуум народжує частинки, Ніщо народжує Щось. Особисто у мене склалося враження, що вакуум «не витримав» так само, як і повітря трохи раніше.

І хоча вираз «пробій вакууму» звучить парадоксально і порівняння моє напевно можна піддати критиці, проте, погодьтеся, щось схоже є.

Отже, вже перший наш уявний експеримент призводить до дивних результатів: по-перше, частинки народжуються, здавалося б, «з нічого», а по-друге, в поведінці вакууму можна побачити аналогію з пробоєм діелектрика. Відзначимо, що не порушуються ніякі закони збереження — маса позитрона і електрона виникає за рахунок енергії електромагнітного поля. Причому, та обставина, що експеримент уявний, аж ніяк не означає, що він нездійсненний. Просто поки технічно неможливо досягти таких напруг.

Проте вже сьогодні фізики готуються до дослідження явища, яке ми спостерігали подумки. І збираються спостерігати його на дослідах з елементарними частинками. Пояснимо, чому. Закон Кулона говорить: електричне поле між зарядами зростає зі збільшенням зарядів і зменшується зі збільшенням відстані. Значить, шукати поля надсильних напруг, які нам необхідні, треба у фізиці малих відстаней. Ядро урану має заряд в 92 електронних заряди (з іншим знаком, звичайно). Потрібне нам електричне поле створюється, якщо зблизити два таких ядра до відстані 10^-11 сантиметра. Для ядерної фізики це зовсім не маленька відстань – вона в кілька десятків разів більше розмірів самих ядер.

На жаль, легко сказати «візьмемо ядра урану» — зробити це дуже складно і ще складніше здійснити їх зближення. Уявіть собі: треба обдерти з атома урану дев’яносто два електрона, ось з таких обдертих атомів скласти пучки частинок і зіштовхувати їх між собою. Ще одну можливість створити надполя дало б «виготовлення» ядер з кількістю протонів більше ста сімдесяти, але на сьогодні ядер з зарядом більше ста чотирнадцяти немає, і багато вчених, наприклад, вважають, що отримання заряду сто сімдесят навряд чи можливо в принципі.

І, тим не менш, вдається знайти вихід — розігнати пучок важких іонів (необов’язково урану, можна з меншим зарядом) і направити його на мішень, що містить важкі ядра. При зіткненні на дуже короткий час ядро-мішень і ядро-снаряд можуть майже злитися. На цей час і може утворитися згусток ядерної матерії з потрібним нам зарядом. Такі досліди проводяться, хоча точності поки не вистачає для спостереження настільки очікуваного нами ефекту. Але, незважаючи на значні експериментальні труднощі, можна очікувати тут результатів найближчим часом.

Отже, вакуум-порожнеча, але в певних умовах він може і частинки утворювати. Цілком допустима і така точка зору: десь у вакуумі ці частинки вже були заховані, а надсильне наше поле як би витягує їх зі схованки. Загалом, простір для порівнянь і фантазій дуже широкий – надаємо читачам можливість самостійно насолоджуватися цим захоплюючим заняттям.

Всі предмети в нашому світі притягуються один до одного. Реально ж ми бачимо і відчуваємо тяжіння тільки Землі. Це пов’язано з тим, що закон всесвітнього тяжіння дуже схожий на закон Кулона,— сила тяжіння пропорційна масам тіл і обернено пропорційна відстані між ними. На жаль, у нас немає можливості навіть подумки міняти гравітаційні поля на Землі, як це виходило з електромагнітним в попередньому експерименті. Доведеться пошукати відповідний інструмент для наших досліджень в космосі. Ми маємо вже деякий «досвід в роботі» з вакуумом: знаємо, при якій величині напруженості поля відбувається народження частинок. Досить простий розрахунок показує, що потрібні нам гравітаційні поля можуть створюватися тілом і масою, що дорівнює масі Землі, але розмірами не більше горошини. Цей об’єкт неможливо уявити собі, навіть найщільніші речовини в земних умовах мають щільність в мільярди мільярдів разів меншу. Тому я і запропонував пошукати настільки екстравагантний екземпляр в космічних просторах – більше податися нікуди.

Щоб хоч трохи полегшити «процес уяви» нашого інструменту, опишемо коротко можливий процес його утворення. Звернемося до зірок. У них протиборствують процеси стиснення і розширення. Гравітаційні сили завжди прагнуть стиснути зірку. Усередині зірки при величезних температурах йдуть процеси термоядерного синтезу, виділяється енергія. Як би безперервні вибухи розштовхують зірку. Однак після багатьох мільйонів років все термоядерне пальне вигорає, і вже ніщо не перешкоджає стисненню зірки гравітаційними силами. Вона стискається до неймовірно щільного стану. Утворюється новий об’єкт – «чорна діра».

Ми, звичайно, сильно спрощуємо картину процесу, тому що в наші плани не входить його уважне вивчення. І хоча «чорна діра» цікава сама по собі, нас цікавить тільки те, що навколо неї створюється надсильне гравітаційне поле. Поле таке сильне, що жоден предмет, жодна частинка і навіть промінь світла не можуть покинути околиці «чорної діри». Ця властивість і визначає її назву. І ось поблизу цього об’єкта вакуум знову народжує частинки. Тут треба підкреслити, що розглянутий процес в деякому сенсі не уявний експеримент, а, скоріше, уявне спостереження. Теорія категорично стверджує: вакуум в районі «чорної діри» виробляє частинки. Адже експериментом ми зазвичай називаємо щось, що штучно організоване. А «чорні діри» існують насправді (згідно з висновками з теорії, поділюваної більшістю фізиків).

І нарешті, слідуючи наміченій експериментальній програмі, переходимо до сильної взаємодії. Відомо, що в природі існує всього чотири типи взаємодій: гравітаційна, слабка, електромагнітна та сильна. Сильна взаємодія названа так не дарма: вона пов’язує в ядра протони і нейтрони, причому ядра — дуже міцні системи, хоча всі протони мають позитивний заряд і, значить, «розштовхуються» за законом Кулона.

Сучасна теорія сильних взаємодій – квантова хромодинаміка – почала створюватися в сімдесяті роки минулого століття і дуже інтенсивно розвивається зараз. Її основні положення такі: всі сильно взаємодіючі частинки складаються з декількох різновидів кварків — частинок з дробовими зарядами і дуже маленькими масами, взаємодіють вони за допомогою восьми інших частинок — глюонів, і сила взаємодії збільшується з ростом відстані між кварками.

Ось так ось в небагатьох рядках ми виклали всю теорію сильних взаємодій – природно, важко тут зрозуміти що-небудь. Будемо розбиратися. Що таке кварки – більш-менш зрозуміло: всі речовини складаються з атомів, атоми з ядер і електронів, ядра з протонів і нейтронів, ну а протони і нейтрони — з кварків. Просто наступна сходинка в пізнанні структури матерії – принципово нічого нового. Незвично те, що крім добре знайомих нам заряду і маси у кварків є нова характеристика — колір або колірний заряд. Характеристика ця подібна електричному заряду: електричні сили діють між електричними зарядами, а «сильні» сили — між колірними зарядами. Тільки електричний заряд один, а колірних — три.

Введення поняття кольору допомагає якщо не пояснити, то проілюструвати можливу причину невилітання кварків з ядер. Частинки з дробовими зарядами довго і ретельно шукали, але безуспішно. Можна намагатися пояснити це тим, що кольорові кварки просто не можуть існувати окремо, один без одного. Реально існують лише безбарвні протони, нейтрони та інші частинки. Суміш кварків трьох кольорів дає безбарвну частинку. Не дуже зрозуміло, але звикнути можна.

Продовжуємо аналогію з електродинамікою. Там заряди взаємодіють за допомогою фотона, кольорові заряди взаємодіють за допомогою дуже схожих на фотон частинок – восьми кольорових глюонів. Правда, закон взаємодії в даному випадку дуже відрізняється від кулонівського — сила взаємодії зростає зі збільшенням відстані.

Можна сказати, що квантова електродинаміка – це наука про взаємодію зарядів за допомогою електромагнітного поля, а квантова хромодинаміка — наука про взаємодію колірних зарядів за допомогою глюонних полів. І та й інша взаємодія описується за допомогою математичних методів квантової теорії поля.

У квантовій теорії поля вакуум визначається досить абстрактно, як стан поля з найменшою можливою енергією. Якщо порівняти з нашим природним визначенням, начебто все розумно – в нашому вакуумі-порожнечі, де нічого немає, і енергія мінімальна. Так ось, у квантовій хромодинаміці стан з найменшою енергією має місце при відмінному від нуля значенні глюонного поля. Тобто ситуація більш ніж дивна – енергія мінімальна, перед нами вакуум, а глюонне поле має якусь середню енергію, більше нуля.

Ми дійшли до дуже важливого моменту в нашому викладі. Далі будемо всіляко пояснювати його, намагатися приводити порівняння, щоб хоч трохи краще виявити суть справи. У звичайних умовах віртуальні частинки вакууму (пов’язані з електромагнітним й іншими «звичними полями») надають мізерно малий вплив на фізичні процеси, наприклад, зовсім трохи впливають на рух електрона в атомі. У квантовій хромодинаміці принципово те, що вплив вакууму на фізику мікросвіту не є малою поправкою до протікаючих процесів, а, можливо, в значній мірі визначає будову елементарних частинок, їх розміри, структуру і масу.

Повернемося до нашого «заповненого» вакууму. Отже, при побудові теорії сильної взаємодії елементарних частинок з’являється ненульове середнє значення глюонного поля у вакуумі. Як це собі уявити? Більшості фізиків подобається тут аналогія з надпровідником. У надпровідності електрони утворюють пари, і далі ці пари існують і рухаються без опору в провіднику. Наші глюони теж зв’язуються попарно, і весь вакуум заповнений ось такими глюонними парочками. Нас вони не чіпають, тому що ми з вами складаємося з безбарвних ядер різних елементів, а глюони взаємодіють тільки з кольоровими кварками. Звичайно, безбарвні ядра зроблені в кінцевому рахунку з кольорових кварків, але цей «колірний» заряд як би захований, скомпенсований, і зовні його не видно. Взагалі, нічого особливо екстравагантного: ми не чуємо ультразвуку, не бачимо ультрафіолотевого кольору, а «безбарвні» ядра не «бачать» і не «чують» кольорових глюонів.

Присутність у вакуумі ненульового середнього глюонного поля можна уявити собі як «глюонний конденсат». Тут можна провести аналогію з конденсацією водяної пари при зниженні температури: рухаємося в напрямку зменшення енергії, глюони збираються в пари, і при мінімумі енергії — в стані вакууму — вільних глюонів вже немає, залишається можливість існування тільки для «глюонного конденсату».

Є гіпотеза про те, що саме «глюонний конденсат» відповідає за невилітання кварків з частинок. Ми вже з’ясували, що безбарвна частка не відчуває впливу з боку глюонів. Але як тільки кольоровий кварк спробує вилетіти зі своєї частки-будиночка, він наштовхується на потужний опір глюонного конденсату: кольорові глюони сильно взаємодіють з кольором, а значить, і з кольоровим кварком.

Виявляється, наш невагомий і незрозумілий вакуум може визначати розміри частинок, дозволяти кваркам розлітатися лише до певної відстані.

До сих пір ми говорили лише про глюонний конденсат. Виявляється, у квантовій хромодинаміці виникає уявлення і про кварковий конденсат. Річ, абсолютно аналогічна глюонному конденсату, і проявляється квантовий конденсат в тому, що квадрати середньої напруженості кваркових полів не рівні нулю. Причому це не гіпотеза, а суворий висновок, невід’ємна частина квантової хромодинаміки. Квантову ж хромодинаміку зараз все впевненіше називають теорією сильних взаємодій.

Подивимося тепер, як проявляється кварковий конденсат в житті мікросвіту. Для цього доведеться трохи поговорити про спектр мас елементарних частинок. Словосполучення «спектр мас» означає те, що елементарних частинок багато — кілька сотень, і у кожної своя певна маса, і маси ці — різні.

Факт одночасно і дивовижний і прикрий: кварків з теорії мало, сьогодні ми знаємо, що є поки п’ять, можлива поява шостого, взаємодіють вони один з одним однаково, а ось звідки береться таке різноманіття мас у елементарних частинок, незрозуміло. І ось, вивчаючи це питання в рамках квантової хромодинаміки, теоретики отримали ще один дивовижний «вакуумний» ефект: масу протона можна виразити через величину вакуумного середнього кваркових полів. Коефіцієнт пропорційності в такій формулі – просто число. Розрахувати його досить важко, але зробити це вдалося.

Підсумок наших досліджень поля сильної взаємодії такий: розміри і маси елементарних частинок, як і «невилітання» кварків, визначаються ненульовим глюонним конденсатом. Вакуум, значить, задає будову частинок і Всесвіту в цілому. Підкреслимо ще раз, що це гіпотеза, але гіпотеза, що має під собою досить міцний фундамент. Складається така ситуація: намагаючись зрозуміти, як взаємодіють між собою елементарні частинки, ми дізнаємося все нові риси вакууму, і виявляється, що саме вакуум, ймовірно, визначає основні риси цікавої нам взаємодії.

Виходить діалектика в чистому вигляді: від частинок ми рухаємося до їх заперечення — вакууму, а потім — заперечення заперечення — повертаємося до розуміння структури елементарних частинок, але вже на якісно новому, більш глибокому рівні.

Автор: А. Семенов.