Тайны пространства и времени - Комаров Виктор Ноевич - Страница 45

Но вернемся к физическому вакууму. Похоже, что именно вакуум представляет собой основу всего существующего. Любопытно, что аналогичную идею в свое время высказал в образной форме академик Г.И. Наан. Он говорил, что основу мироздания составляет вакуумный океан, а все вещественные космические объекты – звезды, планеты, туманности, галактики – это лишь «легкая рябь на его поверхности».

В высшей степени любопытна и поучительна история первого эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне реальное. Ученые не без основания называют его «экспериментом века»…

Когда в 1930-е годы Поль Дирак с присущим ему теоретическим блеском точно рассчитал спектр излучения атома водорода – системы, состоящей из протона и электрона, то выяснилось, что так называемый второй энергетический уровень, на котором может находиться электрон, – это в действительности два уровня, слившиеся друг с другом.

Через несколько лет американский физик Леон Пастернак, исследуя оптические спектры водорода, в частности, переход электрона со второго уровня на первый, обнаружил, что вопреки расчетам Дирака при этом возникают не одна, а две спектральные линии. Однако этот результат был получен на самом пределе возможностей прибора, с которыми работал Пастернак, и хотя как спектроскопист он пользовался заслуженной известностью, никто не отнесся к его наблюдению всерьез…

Вторая мировая война способствовала развитию радиолокации. Одним из тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был американский физик Виллис Лэмб. И когда война окончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака. Если второй уровень в самом деле расщепляется на два, рассуждал он, то должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как показывает расчет, соответствующая линия излучения будет лежать в радиодиапазоне. Для проверки этого предположения Лэмб решил воспользоваться списанной радиолокационной аппаратурой, чтобы создать необходимые экспериментальные установки. И когда задуманный эксперимент был осуществлен, Лэмб обнаружил именно то, что и ожидал…

Дирак оказался немного не прав. Он не учел физического эффекта, вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал систему, состоящую из протона и электрона, – и только. А в реальном мире такой изолированной системы просто не существует – есть протон и электрон, погруженные в физический вакуум. Протон – тяжелая частица, и она колебаниям вакуума не поддается, а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом…

Физики говорят, что еще до войны известный советский физик-теоретик Дмитрий Иванович Блохинцев на семинаре академика Игоря Евгеньевича Тамма дал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического вакуума. Но в то время неизбежность «все более странного мира» еще не казалась столь неизбежной. Идея Блохинцева показалась всем настолько необычной, что никто не отнесся к ней с достаточной серьезностью. И соответствующая статья, к сожалению, так и не появилась в печати…

Вообще в конце 1940-х годов физический вакуум для большинства людей, даже близко стоящих к физике, был чем-то прямо-таки «потусторонним».

Но вернемся к явлениям, которые происходят в физическом вакууме и в реальности которых сегодня уже не приходится сомневаться.

Известно, что два разноименных электрических заряда в пустоте притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в какую-либо среду, то благодаря ее влиянию сила взаимодействия между зарядами изменится/Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нем находится, скажем, положительно заряженное ядро, то оно начинает взаимодействовать с виртуальными электронами и позитронами – подтягивает к себе электроны и отталкивает позитроны. Благодаря этому два заряда будут взаимодействовать между собой не совсем по закону Кулона. И это отклонение наблюдается в экспериментах, в частности, в опытах на ускорителях. Например, рассеивание пучка электронов большой энергии на протонах из-за влияния физического вакуума фактически происходит не совсем так, как должно было бы происходить в пустоте. Таким образом, можно считать, что физический вакуум – среда – ничем не «хуже» тех сред, с которыми мы обычно имеем дело. На какую же из известных нам сред он похож – вот в чем вопрос? На металл, полупроводник, диэлектрик, жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих отношениях физический вакуум ведет себя подобно сверхпроводнику…

Сверхпроводимость – чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в некоторых металлах при понижений температуры до 23,4 градуса Кельвина, то есть до минус 250 градусов Цельсия, электрическое сопротивление обращается в нуль. Именно в нуль – не становится пренебрежимо малым, а полностью исчезает.

Однажды ученые провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещенном в жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента открытия явления сверхпроводимости прошло около 40 лет. И теперь мы довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В сверхпроводнике под влиянием кристаллической решетки вещества электроны при определенных условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя связанные пары. Этим парам «выгодно», как физики часто говорят, «сесть» на нижний энергетический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной нулю энергией, обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема обеспечивает движение электронов без трения – а это и есть сверхпроводимость…

В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик, работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько «скрытых» частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.

Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни, «уходить наверх». Коллектив начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать – а в физическом смысле нагреть можно все, что угодно, – то «конденсат» начнет «испаряться», а массы реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 10¹⁶ градусов, в физическом вакууме произойдет фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом – только аналогия.

Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота – особый объект, ни на что не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.

Таким образом, современная физика располагает убедительными доказательствами того, что «физический вакуум в действительности не «ничто», а все-таки нечто».

И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.