Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Стрелка научного знания сделала полный оборот — от пустоты к мировому эфиру и снова к полной пустоте.

Однако в самой квантовой механике было спрятано нечто такое, что вскоре буквально вывернуло наизнанку все представления о пустом и непустом. И стрелка побежала по новому витку спирали.

Оказалось, что пустое пространство «дышит»!

Каждому понятно, что если пространство пустое, то в нем не должно быть не только материальных тел, но и никаких полей — ни электромагнитных, ни каких-либо других. Ну а поскольку источником полей служат материальные тела, то, удаляясь на достаточно большое расстояние, можно было бы надеяться сделать эти поля какими угодно малыми. Чем дальше от фонаря, тем темнее. Казалось бы, все логично и все ясно.

И вот квантовая механика неожиданно показывает, что это совсем не так. Из ее формул следует, что в любом очень малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация и «из ничего» выплеснется и снова быстро исчезнет электромагнитное или какое-нибудь другое поле. Это как раз тот процесс рождения виртуальных частиц — квантов спонтанно образующихся полей, о котором неоднократно и упоминалось выше. Виртуальные процессы действуют на движущиеся в вакууме частицы: экранируют их заряды, изменяют массы этих частиц, смещают уровни в атомах и так далее. Взаимодействие частиц с вакуумными флюктуациями — одна из причин размазывания их траекторий Под действием флюктуационных толчков микрочастица все время изменяет свое положение, как бы кружится вокруг положения равновесия. Это сложный нелинейный эффект, крепко связанный узел явлений: неопределенность траекторий делает возможными вакуумные флюктуации, а те, в свою очередь, порождают размазку траекторий.

Таким образом, пространство лишь кажется пустым и безжизненным. Такой вид оно имеет, когда его рассматривают «в среднем», имея в виду достаточно длительные временные интервалы и области значительно больших размеров, чем элементарные частицы. А при большом увеличении оно похоже на густой туман спонтанно рождающихся и тут же лопающихся частиц-капелек. Все это дрожит, мелькает, переливается световой радугой. И чем больше увеличение, тем насыщеннее становится вакуум. Представление о пространстве как об абсолютной, ничего не содержащей в себе пустоте оказывается совершенно неверным. При воздействии внешних полей такая «пустота» ведет себя как материальная среда. Например, в электрическом поле она поляризуется подобно диэлектрику в конденсаторе: положительно заряженные флюктуационные частицы смещаются в одну сторону, отрицательно заряженные — в другую. Такой эффект проявляется во многих экспериментах. Более того, выясняется, что вакуум кое-какими своими свойствами напоминает сверхпроводник — совсем уж, казалось бы, невероятная идея, если вспомнить, что сверхпроводимостью чаще всего обладают металлы. Сверхпроводящая пустота! Трудно придумать более противоречивое явление, но таковы факты. Как показывают расчеты, хорошо согласующиеся с опытом, в «газе» микрочастиц, которым «дышит» вакуум, устанавливаются коллективные, упорядоченные связи — подобно тому, как это происходит в электронном «газе» внутри охлажденного металла.

Если в вакуум ввести достаточное количество энергии, так сказать, сильно «нагреть» его, то он начнет испускать частицы. Но разве нагревать вакуум — не то же самое, что варить уху в океане? Нет, если это сделать быстро (например, создавая в пространстве столкновением быстрых ионов тяжелых атомов очень сильное электромагнитное поле), то небольшой «кусочек» вакуума можно довести до «кипения». Да, во многих отношениях действительно вакуум представляет собой своеобразную материальную среду.

Стрелка наших знаний сделала еще полоборота...

Мы уже не раз говорили о том, что на самом глубоком из известных нам уровней материя состоит из кварков и связывающего их глюонного поля. Это поле действует на цветные заряды кварков. Физикам известно уравнение этого поля, описывающее его распространение в пространстве. И вот среди решений глюонного уравнения неожиданно были найдены такие, которые описывают движение необычных микрообъектов — так называемых инстантонов (от английского слова instant — мгновение), спонтанно возникающих в вакууме частицеподобных сгустков глюонного поля с мнимым временем. При решении уравнений, как мы тоже уже говорили, часто появляются мнимые величины, вот и здесь получилось мнимое время. Начиная с Дирака, у которого получалась отрицательная энергия и масса, а за ними, как выяснилось, кроется целый мир античастиц, физики к мнимым величинам относятся с интересом. Не кроется ли и за этими сгустками с мнимым временем что-нибудь важное?

Чтобы понять физический смысл инстантонов, представим себе, что мы ищем решение уравнений ньютоновой механики в необычных условиях — внутри жесткого барьера, разделяющего надвое пространство с движущимися в нем частицами. В квантовой механике из-за размазывания траекторий возможен так называемый туннельный переход микрочастицы сквозь жесткую стенку. Например, если сначала все частицы были с одной стороны стенки, то проходит определенное время, и часть их оказывается уже по другую ее сторону, а некоторые из них — даже внутри стенки.

Никакого чуда тут нет. Даже нечто знакомое: похоже на поглощение света. Ведь даже в самых непрозрачных материалах световая волна, прежде чем она будет поглощена, успевает пройти некоторое расстояние. Квантовая частица движется по волновым законам, и, если барьер или стенка тонкие, она может пройти сквозь них — просочиться между атомами и молекулами, из которых они состоят. Это очень распространенное явление; именно таким путем, например, альфа-частицы испускаются из глубины атомных ядер.

Так ведут себя волны. В ньютоновой механике твердых тел подобное просачивание невозможно, и уравнения дают физически бессмысленный ответ: частицу внутри стенки можно обнаружить лишь при мнимом времени. Но если заранее знать о квантовой механике и о возможности туннельных переходов, то каждое решение ньютоновых уравнений с мнимым временем можно рассматривать как сигнал такого перехода. Поэтому и инстантоны можно тоже считать предупреждением о каких-то особых туннельных переходах, для описания которых можно разработать более точную квантовую теорию глюонного поля.

Но какие переходы могут быть в вакууме? Между чем и чем? Ведь там ничего нет!

Очевидно, только между различными состояниями самого вакуума. Если основываться на интуитивном представлении о вакууме как об абсолютной пустоте, эта мысль, естественно, покажется нелепой. Но вакуум — не пустота, а специфическая материальная среда, образованная «дымкой» виртуальных частиц, вступающих в сложные взаимодействия. В зависимости от характера этих взаимодействий вакуум может находиться в различных состояниях. А это означает, что наш мир не единственно возможный. В принципе могут существовать и другие миры — с другим вакуумом. Иначе говоря, вакуум, а значит, и связанный с ним физический мир расщеплены на отдельные состояния. В каждом мире свой вакуум — состояние с наименее возможной там энергией, пространство, из которого «вычерпана» вся материя за исключением вакуумных флюктуаций, удалить которые невозможно. Различным мирам соответствует различная плотность и структура вакуумных флюктуаций, различная «густота» и «консистенция» вакуума.

Вакуумная «дымка» пропитывает все тела, заполняет собой все пространство. Это исходный фундамент мира, всепроникающий эфир в его современном понимании. А поскольку скорость света зависит от свойств среды, в которой он распространяется, то в каждом мире ее величина должна быть своей. Различными могут быть и другие «мировые постоянные». Другими словами, следует думать, что именно вакуум определяет «калибровку» нашего мира.

Существование окружающей нас природы с определенными свойствами связано с одним из возможных типов вакуума. Как это произошло, почему нам выпала судьба жить именно в данном мире, мы пока не знаем. Можно лишь предполагать, что вакуум расщепился после Большого взрыва, в первые мгновения жизни нашей Вселенной, когда ее температура несколько снизилась, и так же, как это бывает с остывающим твердым телом, мир приобрел конкретное «фазовое» состояние с определенным вакуумом. В физике твердого тела это называется точкой Кюри. При более высокой температуре тепловое движение молекул мешает установлению устойчивой структуры. Ниже точки Кюри среда застывает, образуя различные кристаллические и аморфные состояния. Некоторые ученые склонны предполагать, что основные свойства вакуума были предопределены еще ранее — в момент рождения нашего мира из какой-то предшествовавшей ему фазы («профазы»), например путем квантового туннельного перехода из другой Вселенной.