Пустое пространство на самом деле не пустое [Veritasium]
[музыка] Пожалуй, одним из самых удивительных фактов об атоме является то, что по большей части атом – это пустота. Если бы атом в ширину был равен размаху рук, все его электроны носились бы внутри объёма, условно ограниченного кончиками пальцев, а ядро, которое находилось бы в центре, имело бы диаметр даже меньше толщины человеческого волоса. Таким образом, все атомы, из которых состоите вы и я, и все объекты, внешне кажущиеся плотными, являются по сути пустым пространством.
Это невероятно, но ещё удивительнее то, что пустое пространство на самом деле не совсем пустое. Что ж, давайте посмотрим. Это модель, разработанная профессором Дереком Лайн Вебером из университета Аделаиды, для проведения необходимых расчётов квантовой хромодинамики на суперкомпьютере. Вспомним теорию о кварках – фундаментальных частицах, из которых состоят протоны и нейтроны, а также о взаимодействии кварков посредством глюонов.
Вы видите модель энергетической плотности флуктуаций глюонного поля. Там, где появляются красные пятна, плотность энергии крайне высока, а затухание цвета означает её снижение. На этой анимации самые слабые флуктуации не отображаются, но фактически они есть, и их можно наблюдать. То, что мы видим, напоминает бурлящий суп из стремительно появляющихся и пропадающих флуктуаций квантового поля. Скорость передачи кадров – 1 миллион миллиардов миллиардов кадров в секунду. Вот это сверхбыстрая съёмка.
Размеры отображаемой области крайне малы; они составляют миллионы миллиардных метра. Туда едва вмещается два протона, но там нет протонов. Здесь вы видите моделирование вакуума, который, как нам всегда казалось, вообще-то должен быть пустым. На самом деле пространство заполнено флуктуациями кварков и полей. Из пустого пространства можно произвести аннигиляции кварков, поскольку оно не пустое. Звучит, мягко говоря, не очень правдоподобно: вот у вас пустота, и из неё ещё можно что-то взять.
Но да, вакуум непустой и что-то в себе содержит. Однако для того чтобы избавиться от флуктуаций и создать абсолютный вакуум, необходимо огромное количество энергии. Как ни удивительно, количество энергии, которое требуется для создания чистого вакуума, невероятно велико. А если даже вы его создадите, вы обнаружите, что он крайне нестабилен, и любые возмущения приведут к появлению квантовых флуктуаций.
Может, всё не так странно, как кажется на первый взгляд. Возьмём постоянный магнит при комнатной температуре; он создаёт вокруг себя магнитное поле благодаря правильной ориентации магнитных моментов всех его атомов. Но если вы его нагреете, вы передадите частицам достаточно тепловой энергии для преодоления так называемой точки Кюри, из-за чего их магнитные моменты будут разорены, а общее магнитное поле пропадёт. Чтобы избавиться от постоянного магнитного поля, нужна энергия – то же самое и с квантовым вакуумом.
Учитывая квантовые флуктуации, можно точнее описать взаимодействие фундаментальных частиц и, к примеру, узнать, где вероятнее всего обнаружится кварк. Оказывается, кварки находятся на этих облачках. А поскольку они появляются и пропадают очень быстро, мы склонны полагать, что кварки прыгают с одного такого облака на другое, а потом на третье и так далее. Я это себе представляю в виде туриста, пытающегося пересечь бегущий ручей: вокруг плещет вода, из-под неё выглядывают камни, и вам приходится быстро прыгать по ним, чтобы не замочить ноги.
Мне кажется, что кварки ведут себя так же, несмотря на то, что вы, я и все атомы во Вселенной – это в основном пустое пространство. То, что пустое пространство не такое уж пустое, и надо заметить, что без вакуумных флуктуаций нас с вами не существовало бы. Переведено и озвучено студией Верт Дайдер.