Не фантастика, а наука

Сергей Александрович Чумаков

Почему инопланетная жизнь возможна? Как планировали построить атомный звездолёт? Почему премию Нобеля не вручают математикам? Что настоящая наука говорит о вечном двигателе? Об этом и много другом в форме коротких заметок читатели могут узнать из новой книги преподавателя физики и популяризатора науки. Рекомендовано тем, кто скучал на уроках физики.

Когда вакуум не пустой

Как часто на вопрос, а что же находится в межзвёздном или межпланетном пространстве, мы получаем ответ — вакуум, пустота? Надо признать, что подобное суждение в каком-то смысле не слишком ошибочно, но уточнить всё равно необходимо — пустоты во Вселенной нет, а то, что мы в быту называем вакуумом не всегда является пространством без единого намёка на материю.

Представьте себе бутылку, ещё недавно заполненную водой. Затем жидкость выливают, и вот перед нами сосуд, в котором ничего нет. Можно сказать, что он пустой и в этом есть доля правды, если мы всего лишь задались вопросом, сколько бутылка весит. С точки зрения одного из разделов физики — механики, ошибки в терминах нет. Но в бутылке не вакуум, ведь в ней остаются молекулы воздуха. Тогда постараемся удалить из сосуда как можно больше вещества — и если давление внутри окажется гораздо ниже атмосферного, то по правилам техники и прикладных наук мы всё же устроили вакуум. Это будет очень приближённым описанием состояния — в космосе на каждый кубический дециметр, то есть литр пространства, приходится множество молекул и опять вакуум окажется не абсолютным.

Впрочем, не буду затягивать вступление, хотя без него никак. «Истинным» вакуумом считается некое состояние пространства, имеющее минимальные значения энергии. Даже если вы убрали из бутылки вообще все молекулы, то на самом микроскопическом уровне, таком, что сравним с размерами атомов, в ней всё равно существуют поля. Вы наверняка сталкивались с проявлениями полей в обычном, макроскопическом мире, мире вещей гораздо больших, чем элементарные частицы. Например, если пытаться совместить магниты одинаковыми полюсами, то явно можно почувствовать сопротивление. При этом, проведя между магнитами листом бумаги или пластмассовой ручкой, можно убедиться, что никакого особого веществами в зазоре нет, а сила отталкивания всё равно существует. То есть, поле проявляет себя в виде некоторого взаимодействия, которому не нужно вещество для передачи на расстояние. Конечно, раз поле может действовать, то оно обладает энергией.

В квантовом мире всё чуть сложнее, и перед нами один из феноменов квантового поля. Благодаря ему можно ввести понятие физического вакуума.

Точное определение вакуума на данный момент достаточно простое — это поле с минимальным значением энергии или, что точнее, с наименее низким энергетическим состоянием. Давайте прибегнем к сравнению, хоть и не совсем логичному: описываемое состояние можно представить как поверхность пруда в безветренную погоду. Она кажется гладкой и ровной, а когда вы приглядитесь, то увидите небольшие вздрагивания и волны, вызванные едва ощутимыми внутренними процессами. Такое состояние для воды будет считаться состоянием с минимальной энергией. То же и с вакуумом.

При этом, вакуумов несколько, в зависимости от того, как «вздрагивают» наши поля. Стоит вакууму немного увеличить энергию, как образуются высокоэнергетические участки, словно всплески на воде. Эти состояния называют ложными вакуумами. Существуют они очень недолго, ибо крайне нестабильны и стремятся отдать лишнюю энергию. В процессе распада такого вакуума образуются элементарные частицы, из которых затем складываются атомы.

Наш мир формально создаёт пустота. Которой в бытовом смысле слова вообще нет.