Десять странностей о Вселенной (ч.1)

Вселенная — это более чем странное место. При условии, что слово "место" к ней вообще применимо. И если казавшиеся когда-то безумными предположения о том, что Земля вращается вокруг Солнца, теория относительности и квантовая теория, сейчас заняли свое место среди основ современной науки, то странности далеко еще не кончаются. И о десяти самых интересных из них я постараюсь рассказывать максимально просто и понятно.

В первом речь пойдет о негативной энергии. Надо ли говорить, что вольный пересказ этого поста в незнакомой компании, способен не только поразить всех присутствующих, но и создать вам репутацию реально крутого и умного перца.

Найти что либо из терминов, на которых еще не зарабатывают самого разного рода "целители", внешне напоминающие скорее конченых уродов, тяжело. Но тем не менее, постараться объяснить это в том смысле, который им придавался изначально, можно.

Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются некие виртуальные, то есть "ненаблюдаемые", процессы.

Появился термин "физический вакуум", под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами "частица — античастица" и исчезают в результате аннигиляции. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации.

Поскольку любые флуктуации — это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.

Теоретически, при достижении температуры абсолютного нуля −273.15°C, движение всех частиц останавливается полностью. Однако на практике "охладить" что-то до этой самой температуры невозможно, т.к. каждая из частиц имеет некий минимум энергии, ниже которого "опуститься" невозможно. Примечательно, что этот минимум энергии относится не только к частицам, но и к любому участку вакуума, энергию которого называют "вакуумной энергией".

В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны. Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определённых резонансных длинах электромагнитные волны усиливаются.

На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются (то есть, подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено.

Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями. Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, т. е. «откачали всё и ещё чуть-чуть».

Эффект, аналогичный описанному, наблюдался в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающихся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии меньше приблизительно 40 метров, в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних сторон. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли.

Одним из свойств вакуума с отрицательной энергией является... возможность увеличения скорости движения света. Возможно в один прекрасный день именно это и позволит людям передвигаться со сверхсветовой скоростью при помощи аналогов пузырей вакуума с отрицательной энергией. Сказка?

Величина этой силы зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году физик из Массачусетского технологического института Mehran Kadar предположил, что, если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение.

И последний по времени эксперимент, выполненный в лаборатории Mohideen, подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвратившая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили "работать" вакуум с его виртуальными частицами.

Продольная сила Казимира очень слаба (в эксперименте она составила несколько пиконьютонов) и быстро убывает с расстоянием, но Mohideen уверен, что в масштабах будущих квантовых компьютеров она вполне может приводить в действие наномашины.

Отрицательная энергия также заставляет черные дыры испаряться. Эта теория была впервые предложена Стивеном Хокингом, а частицы, выделяемые при этом эффекте (те, которые не попадают в черную дыру) называются излучением Хокинга. Это была первая попытка объединить квантовую теорию с общей теорией относительности и является одним из величайших научных достижений Хокинга на сегодняшний день.