ВАКУУМ ФИЗИЧЕСКИЙ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Казалось бы, в этих двух словах есть противоречие: вакуум — пустота, а пустота не может быть физической или нефизической. Ведь пустота — это когда совсем ничего нет!

Так говорит нам повседневный опыт, основанный на явлениях классической физики. Однако физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классическая пустота.

Что же останется в пустом сосуде? Наука утверждает: в вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум — это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц. Дело в том, что число частиц не сохраняется в реакциях. Сохраняются энергия, электрический, барионный (см. Адроны) и лептонный (см. Лептоны) заряды, но число частиц может меняться.

Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле — в частицы (см. Поля и частицы). В этом отношении вакуум похож на диэлектрик, а рождение частиц напоминает пробой диэлектрика в сильных полях.

Ну, а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей ΔE•Δt ~ ħ приводит к тому, что на короткое время Δt ~ ħ/ΔE любая система может перейти в состояние, отличающееся на ΔE по энергии.

Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Поскольку E = mc2, то из соотношения неопределенностей находим, что частицы массы т виртуально рождаются на время ħ/mc2. Для протона это составит всего около 10x-24 с.

Каковы же физические эффекты, вызываемые виртуальными частицами? В атомной физике эти эффекты довольно незначительны. Например, уровни энергии электрона на атомной оболочке сдвигаются на доли процента из-за взаимодействия с виртуальными фотонами; закон Кулона искажается на малых расстояних из-за поляризации вакуума (т. е. виртуального рождения пары электрон — позитрон, которые своими полями экранируют исходное поле).

Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Скажем, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса «налипших» виртуальных л-мезонов. В ядерном веществе эти виртуальные мезоны расталкиваются протонами.

На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме. Грубо говоря, глюонное поле кварка выталкивается вакуумом, как это происходит с магнитным полем в сверхпроводнике. В результате поле кварка сжимается в трубку, аналогичную магнитным вихрям в сверхпроводнике (см. Кварки, Сильные взаимодействия) . Эта трубка для свободного кварка имела бы бесконечную протяженность и несла бы бесконечную энергию. Поэтому кварки и не могут существовать в свободном состоянии (по теории относительности они были бы бесконечно тяжелыми). На самом деле происходят «разрывы» трубки, на концах этих «разрывов» возникают кварк-антикварковые пары, и в результате при попытке «выбить» кварки из адронов образуются ливни из нескольких адронов — «адронные струи».

Правда, в отличие от сверхпроводника, где известно, что сжимает поле в трубку (куперовские пары) (см. Сверхпроводимость), в случае вакуума это не вполне ясно. Не удается выделить виртуальные частицы, играющие здесь доминирующую роль. Однако не вызывает сомнений, что именно виртуальные процессы в вакууме приводят к необычным свойствам кварков.

На сверхмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными (см. Тяготение). Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Не вдаваясь в детали этого, еще не до конца изученного эффекта, можно только оценить порядок величин масс таких виртуальных частиц и соответствующих комптоновских длин волн (см. Комптона эффект): m ~ √(ħG/c), λ ~ ħ/(mc), где G — постоянная тяготения. Подставляя числовые значения, находим: m ~ 1019ГэВ, λ ~ 10-33 см. Пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было научные эксперименты при столь больших энергиях и на столь малых пространственных масштабах.