Могут ли частицы появляться из пустоты?

Cовременная физика переживает нелегкие времена. На одной стороне лежит квантовая теория, которая описывает устройство Вселенной на уровне атомов, а на другой – Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), согласно которой пространство и время могут искривляться под влиянием гравитации. Проблема заключается в том, что по отдельности и ОТО и квантовая механика работают прекрасно, но противоречат постулатам друг друга. По этой причине физики трудятся над созданием единой «теории всего» на протяжении последних 90 лет. Вот только с каждым новым открытием вопросов становится все больше, однако исследователи не оставляют попыток докопаться до истины – результаты первого в своем роде эксперимента показали, что в искривленной и расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Полученный в ходе моделирования результат вновь возвращает нас к вопросу о том, как что-то может возникнуть из ничего. Словом, шаг вперед и два назад.

Первый в своем роде эксперимент, моделирующий космос с ультрахолодными атомами калия, предполагает, что в искривленной, расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства.

Откуда берутся частицы?

Первый в своем роде эксперимент, моделирующий космос с ультрахолодными атомами калия, предполагает, что в искривленной, расширяющейся вселенной пары частиц появляются из пустого пространства. Этот новаторский эксперимент призван к лучшему пониманию космических явлений, обнаружить которые непросто, ведь частицы могут возникать из пустого пространства по мере расширения Вселенной.

В ходе работы физики из Гейдельбергского университета в Германии охладили более 20 000 атомов калия в вакууме, используя для их замедления и понижения температуры лазеры.

Конденсат Бозе-Эйнштейна позволяет физикам управлять атомами

В результате экстремального охлаждения, атомы образовали небольшое облако (шириной примерно с человеческий волос), превратившись в квантовое, похожее на жидкость вещество – конденсат Бозе-Эйнштейна.

По сути новый эксперимент позволяет изменять свойства атомов, заставляя их следовать уравнению, которое в реальной вселенной определяет ее свойства, включая скорость распространения света и влияние гравитации вблизи массивных объектов. Как отмечают авторы научной работы, это первый эксперимент, в котором холодные атомы использовались для моделирования искривленной и расширяющейся (с ускорением) Вселенной.

На микро уровне Вселенная выглядит иначе, подчиняясь законам квантовой механики

Когда исследователи направили свет на замороженные атомы, они двигались так, словно возникающие в настоящей Вселенной пары частиц. Новый эксперимент позволяет объединить квантовые эффекты и гравитацию, что удивительно, так как физики не совсем понимают, как две противоречащие друг другу теории сочетаются во вселенной. Это также означает, что будущие эксперименты с могут привести к лучшему пониманию квантовых Вселенной и, возможно, приблизиться к созданию теории всего.

Вселенная вероятностей

Наша расширяющаяся вселенная, по сути, является вполне допустимым решением уравнений общей теории относительности. Однако скорость ее расширения создает проблемы для квантовой механики – существует множество возможных состояний, в которых могут находиться частицы. Но возникает вопрос – если пространство расширяется со все возрастающей скоростью, растет ли количество частиц в ней? И можно ли получить что-то из ничего?

Представим, что перед нами пустое пространство — предел физического небытия, который при определенных условиях и манипуляциях неизбежно приведет к появлению чего-то. Так, столкновение двух частиц в бездне пустого пространства может привести к возникновению пары частица-античастица. Если мы попытаемся отделить кварк от антикварка, то новый набор пар должен возникнуть из пустого пространства между ними.

Ученые по-прежнему не могут объяснить все законы квантового мира, включая квантовую запутанность (ее называл жуткой Альберт Эйнштейн)

Теоретически достаточно сильное электромагнитное поле может вырвать частицы и античастицы из вакуума, даже без каких-либо начальных частиц или античастиц вообще, – объясняют физики.

В начале 2022 года в простой лабораторной установке, использующей уникальные свойства графена, были созданы сильные электрические поля, позволяющие самопроизвольно создавать пары частица-античастица из ничего. Вы удивитесь, но предположение о том, что из пустоты можно создать что-то появились примерно 70 лет назад – тогда эта мысль пришла в голову к одному из основателей квантовой теории Джулиану Швингеру и впоследствии получила подтверждение. Вселенная действительно создает что-то из ничего.

Это означает, что на фундаментальном уровне в нашей вселенной атомы можно разбить на отдельные частицы — кванты, которые, однако, дальше не расщепить. То же самое верно как об электронах, нейтрино и их аналогов из антивещества. Та же участь ожидает фотоны, глюоны и бозоны (включая бозон Хиггса). Однако, если убрать все эти частицы, оставшееся “пустое пространство” таковым на самом деле не будет – во многих физических смыслах.

Точно так же, как мы не можем отнять у Вселенной законы физики, мы не можем отнять у нее квантовые поля, которые ее пронизывают. С другой стороны, независимо от того, как далеко мы отодвинем любые источники материи, существуют две силы дальнего действия, последствия которых все равно останутся: электромагнетизм и гравитация.

Вселенная подчиняется законам гравитации, природу которой физики по-прежнему не понимают

Хотя мы можем создать хитроумные установки, гарантирующие, что напряженность электромагнитного поля в определенной области равна нулю, мы не можем сделать этого для гравитации; пространство не может быть “полностью опустошено” в каком-либо реальном смысле в этом отношении.

Что-то из ничего

Продемонстрировать, что пустое пространство на самом деле таковым не является – задача трудоемкая, но при этом реальная. Так, даже если создать идеальный вакуум, лишенный всех частиц и античастиц, а электрические и магнитные поля равны нулю, в вакууме все же будет присутствовать нечто такое, что физики могут назвать, скажем, “максимальным ничто”.

Так размышлял Джулиан Швингер в 1951 году, описав как (теоретически) можно создать материю из ничего: для этого потребуется сильное электрическое поле. И хотя его коллеги предлагали нечто подобное в 1930-х годах, именно Швингер смог точно определить необходимые для этого эксперимента условия, исходя из того, что в пустом пространстве так или иначе присутствуют квантовые флуктуации, – рассказывают физики.

Частицы могут возникать из пустоты.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, если квантовые поля существуют повсюду, то в любой выбранный промежуток времени и области пространства, будет присутствовать изначально неопределенное количество энергии. И чем короче рассматриваемый нами период времени, тем больше неопределенность в количестве энергии.

Фактически, единственным местом, где частицы возникают из пустоты – это области в космосе, окружающие черные дыры и нейтронные звезды. Но на огромных космических расстояниях, отделяющих нас от наиболее приближенных объектов, наши предположения остаются исключительно теоретическими.

Вселенная хранит множество тайн, которые нам с вами еще предстоит раскрыть

Но поскольку мы знаем, что электроны и позитроны буквально возникают из ничего (они просто вырваны из квантового вакуума электрическими полями) Вселенная демонстрирует невозможное. К счастью, существует множество способов изучения нашего странного мира, будь то математика, эксперименты с графеном (подробнее мы рассказывали ранее) или лазерами. И хотя мы по-прежнему далеки от истины и создания единой теории всего, сегодня мы не так уж и мало знаем о мире, в котором живем. Не так ли?