Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kvant.mccme.ru/pdf/1998/05/kv0598semenov.pdf Дата изменения: Fri Dec 23 19:24:44 2005 Дата индексирования: Tue Oct 2 00:35:36 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: внешние планеты


Вакуум
ВАКУУМ

3

А.СЕМЕНОВ

О

Иллюстрация В.Митурич-Хлебниковой

остается невидимым. Он неощутим и незаметен, но энергии у него достаточно, чтобы родить новую Вселенную. Он ничто, пустота, которая может стать источником всего. Он вакуум. Многие современные физики считают, что вакуум будет центральным объектом науки двадцать первого века. 'Сегодня мы знаем, что вакуум содержит целый спектр удивительных эффектов в огромном диапазоне масштабов от микроскопических до космических', сказал профессор Миллони из Лос-Аламосской научной лаборатории в Нью-Мексико. Я буду перемежать свои вакуумнонаучные размышления цитатами из эссе Ханса Кристиана Андерсена 'Муза нового века', поскольку творения великого датчанина удивительно актуальны и глубоки. Его слова о грядущей музе очень удачно подходят и к науке, если вместо 'поэзия' читать 'наука'. 'Когда же впервые проявит себя Муза нового века, которую узрят наши правнуки, а может быть и еще более поздние поколения? Какова будет она? О чем споет? Каких душевных струн коснется? На какую высоту поднимет свой век? Да можно ли задавать столько вопросов в наше суетливое время, когда поэзия является чуть ли не помехой, когда ясно сознают, что от большинства 'бессмертных' произведений современных поэтов останется в будущем в лучшем случае что-то вроде надписей углем, встречающихся на тюремных стенах и привлекающих внимание разве некоторых случайных любопытных?..'

Н ОКРУЖАЕТ нас повсюду и

Немного из истории
До конца прошлого века вакуум оставался темой для глубокомысленных споров философов. В семнадцатом веке, например, Рене Декарт с помощью длинной цепи умозаключений пришел к выводу, что вакуум не может существовать: если 'ничто' разделяет две частицы, значит, их ничто не отделяет друг от друга такова была его логика.
3*

Однако вакуум существовал, и квантовая теория наполнила его смыслом и содержанием. Впервые в работах Макса Планка 1911 года стало ясно, что даже если охладить тело до абсолютного нуля, то у него будет оставаться энергия. А откуда же она может браться? Физики начали ее искать, и в 1925 году Роберт Милликен первым обнаружил ее проявление в спектрах излучения монооксида бора (ВО). Частота излучения электрона при переходе с орбиты на орбиту отличалась от расчетной, как будто при своем движении по орбите вокруг ядра электрон наталкивался на 'нечто'. Еще через два года Вернер Гейзенберг предложил соотношение неопределенностей и показал, что даже в абсолютном вакууме на короткое время могут рождаться и исчезать пары виртуальных частиц. Дело в том, что возможны кратковременные флуктуации энергии любой системы такие, что произведение неопределенности в энергии на неопределенность во времени постоянная величина ( E t Ъ h ). Именно на эти виртуальные пбры и наталкивается электрон при движении по орбите вокруг ядра. Вакуумные флуктуации приводят к случайным шумам в электронных приборах. Они же устанавливают предел на коэффициент усиления сигнала в радиоусилителях. Силы Ван-дер-Ваальса силы взаимодействия между молекулами обязаны своим появлением вакуумным флуктуациям энергии молекул. Энергия, упрятанная в вакуум, не позволяет жидкому гелию стать твердым при любом охлаждении. И она же включает разряд в ртутной лампе дневного света. Когда атом ртути под действием разряда в лампе возбуждается, то выталкивают атом из возбужденного состояния обратно в основное те же вакуумные флуктуации. Включая такие лампы, помните, что прикасаетесь к процессу, который породил нашу Вселенную! 'Находятся еще люди, у которых в 'ленивые понедельники' просыпается потребность в поэзии; ис-

пытывая от голода духовное урчание в соответствующих благородных частях своего организма, они посылают слугу в книжный магазин купить поэзии, самой прославленной, на четыре гроша! Некоторые довольствуются и тою поэзией, которую могут получить в придачу к покупкам, или удовлетворяются чтением тех листков, в которые лавочники завертывают им покупки. Так обходится дешевле, а в наше суетливое время нельзя не обращать внимания на дешевизну. Итак, возникающие потребности удовлетворяются чего же еще? А поэзия будущего, как и музыка будущего, только донкихотство, и говорить о них все равно что говорить о путешествии с научной целью на Уран!'

Рожденные из 'ничто'
Последние двадцать-тридцать лет в астрономии торжествует модель Большого Взрыва, суть которой в том, что Вселенная наша родилась двадцать миллиардов лет назад в результате взрыва из сверхплотной и сверхгорячей точки. Однако пристальное исследование ее предсказаний и выводов показало, что есть немало сложностей, которые она объяснить не в состоянии. Алан Гут из Массачусетсского технологического института и московский теоретик Андрей Линде (сейчас он профессор физики в Станфорде) создали модификацию модели под названием 'космическая инфляция'. Новая модель предполагает, что в первые мгновения после рождения Вселенной вакуум был в неустойчивом состоянии с очень большой внутренней энергией. В качестве наглядной аналогии можно представить себе шарик на вершине горки. Такое состояние неустойчиво, и 'шарик-вакуум' сваливается вниз, высвобождая при этом колоссальное количество энергии. За крошечные доли секунды Вселенная раздувается в число раз, выражающееся единицей с сотней нулей! Это инфляционное раздувание делает нашу Вселенную очень однород-


4
ной, плоской и устраняет многие другие проблемы, стоящие перед Большим Взрывом. К примеру, ни в одном эксперименте не могут найти магнитные монополи частицы, содержащие один магнитный полюс. Их должно было родиться много куда же они делись? Ответ: инфляция разбросала все монополи на такие колоссальные расстояния, что на наблюдаемую часть нашей Вселенной их осталось совсем мало. Получается, что все современное многообразие квазаров, пульсаров, планет, ракет, в том числе и мы с вами родились из этого 'ничто', благодаря открытой Эйнштейном взаимосвязи энергии и массы. Однако большинство космологов были бы рады, если бы вакуум утих, совершив благое дело творения Вселенной, и не волновал ученые умы своим присутствием. Дело в том, что наличие большой внутренней энергии вакуума сильно усложняет уравнения общей теории относительности, добавляя туда дополнительные члены. Но кто знает, как обстоит дело в действительности? 'Муза нового века родилась в наше суетливое время под грохот и стук машин. Привет ей!.. Мы не слышали скрипа ее колыбели из-за шума машин, свиста паровозов, взрывов материальных и духовных твердынь... На зубок ей положили в колыбель великолепные дары. В изобилии были насыпаны туда, словно лакомства, загадки природы с их разгадками; из водолазного колокола высыпали ей разные безделушки и диковинки морского дна. На пологе была отпечатана карта неба, напоминающего океан с мириадами островов-миров.Солнце рисовало ей картинки; фотография должна была доставлять игрушки.'

КВАНТ $

1998

/?

5

Пуст вакуум или полон?
Последние пару лет мировое физическое сообщество то и дело будоражат приходящие от исследователейастрономов известия о том, что наша Вселенная моложе собственных звезд. Новые определения возраста Вселенной основаны на измерении постоянной Хаббла. Неопределенность в этих измерениях не только порождает всякие кривотолки, но и заставляет физиков переосмысливать свои модели развития Вселенной. Одно из возможных объяснений противоречия заключается в том, что

вакуум не сбросил всю свою энергию и продолжает потихоньку расталкивать космос и сегодня. Это увеличивает скорость разбегания галактик и вводит в заблуждение астрономов: чем больше скорость разбегания галактик, тем ближе мы к моменту Большого Взрыва. Вакуум способен и на большее. Хорошо известна еще одна проблема современной космологии скрытая масса. Инфляция предсказывает определенную плотность вещества во Вселенной. Наблюдения дают лишь десять-двадцать процентов этой величины. Есть немало гипотез, где прячется скрытая масса, но ни одна из них не нашла подтверждения. Джордж Эфстатиу из Оксфорда считает, что скрытая масса прячется в виде энергии вакуума. А Крис Кошанек из Кембриджа полагает, что наблюдение гравитационных линз служит экспериментальным подтверждением этому предположению. Гравитационная линза это нечто очень массивное, встречающееся на пути света от далеких звезд к земному наблюдателю. Из-за искривления пути световых лучей на Земле можно увидеть два, а то и больше изображений одного и того же объекта. Найдено уже немало кандидатов на роль гравитационных линз. Кошанек считает, что из их количества можно сделать оценку энергии, спрятанной в вакууме. По его мнению, до половины скрытой массы может содержаться в форме скрытой энергии вакуума. Здесь необходимо подчеркнуть, что вышеизложенные воззрения это гипотезы, так сказать, рабочие варианты теоретиков в поисках решения. Вакуум заботит не только космологов и астрономов. Есть у него и более земные занятия. 'Муза нового века еще дитя, но она уже выпрыгнула из колыбели; она полна стремления, но еще и сама не знает, к чему ей стремиться... Много, слишком много она читала; она ведь родилась в наше время, многое ей придется забыть, и она сумеет позабыть... Ну а какое ее отношение к религии? Она изучила всю философскую премудрость, сломала себе в поисках 'первопричины мира' один из молочных зубов, но получила взамен новый, вкусила плода познания еще в колыбели и стала так умна, что бессмертие кажется ей гениальнейшей мыслью человечества.'

Инерция
Одно из наиболее интригующих земных гипотетических проявлений вакуума инерция, свойство тел сохранять движение. С ним знаком любой, кто летел в сугроб, разогнавшись на коньках. О сути инерции серьезно думали такие эксперты, как Альберт Эйнштейн и Ричард Фейнман. Эйнштейн считал, что при ускорении какого-либо тела мы неявным образом влияем и на все другие тела. Но как это происходит, он не прояснил. Несколько лет назад Бернар Хьюиш из Пало-Альто и Шел Пытхов из Техаса решили возродить идеи Эйнштейна к жизни. По их мнению, тело обладает инерцией потому, что при движении взаимодействует с вакуумными флуктуациями. Они даже модернизировали закон Ньютона, вставив туда вместо массы тела величину, определяющую его взаимодействие с вакуумом. Грубо говоря, по мнению авторов гипотезы, флуктуации вакуума приводят к возникновению некоего аналога магнитного поля. Чем больше в теле атомов, тем сильнее оно взаимодействует с этим 'вакуумно-магнитным' полем, тем труднее его сначала разогнать, а потом остановить. Но идея есть идея, а расчеты пока не получаются. Все оценки расходятся с опытом в такое количество раз, что просто стыдно признаваться: единица с сотней нулей... Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг даже пошутил, что это, вероятно, самое неточное предсказание в истории науки. Однако авторы гипотезы не отчаиваются. Они даже обсуждают пути извлечения энергии из вакуума. Это уж совсем научная фантастика, но Хьюиш напоминает, что всего век назад никто и понятия не имел о радио, самолетах и телевидении, не говоря уж об атомной бомбе. 'А какова будет программа новой музы? спросят сведущие депутаты от нашего времени. Чего она хочет? Спросите лучше, чего она не хочет. Она не хочет выступить тенью истекшего времени! Не хочет мастерить новые драмы из сданных в архив сценических эффектов или прикрывать убожество драматической архитектуры ослепительными лирическими драпировками... Не


ВАКУУМ

ВАКУУМ

5

захочет она и вновь взять старых богов из могучих как скалы ирландских саг! Она захочет поднести современникам жизненный эликсир! Биение сердца каждой национальности является для нее лишь буквою в великой азбуке мирового развития, и она возьмет каждую букву с одинаковой любовью, составит из них слова, и они ритмично польются в гимне, который она воспоет своему веку!'

Лирическое отступление
Вакуум вещь загадочная. К ней подступали великие умы от Аристотеля до Эйнштейна. 'Природа не терпит пустоты', эта фраза содержит в себе некий приговор вакууму как чему-то абстрактному и нереальному и заранее обрекает научное исследование его на неудачу. Тем не менее, в работах физиков-теоретиков без флуктуаций вакуума не обойтись, вакуумное состояние и вакуумный уровень энергии обычные понятия практически любой модели в физике микромира. Мне кажется, что до сих пор исследователи просто-напросто пасовали перед невероятной глобальностью проблемы, и говорить о ней было столь же бестактно, как и беседовать на тему 'Что есть Бог?'. К теме вакуума опосредованно подступали писатели-фантасты. Им неудобно было наделять своих героев умением черпать энергию из 'ничто', поэтому они брали ее из самых неожиданных мест: из времени, из будущего, из гиперпространства, но суть всех этих 'изобретений' одна совершенно неисчерпаемый источник энергии. Физический вакуум?.. Или все пышнее расцветающее движение экстрасенсов и прочей непонятной мистики, которая не укладывается в научные рамки, передачи информации непонятно через что, связь с космосом, диагностика астральных тел. Честно говоря, я удивляюсь, что вакуум и вакуумные флуктуации еще не стали терминами этой области человеческой деятельности. А что если все эти астральные поля и информационные космические потоки как-то связаны с вакуумом? И там и там много непонятного, но если чтото непонятно, надо изучать. Естественно, изучать по-научному, очистив от безграмотной шелухи, но не отмахиваться.
2 Квант ? 5

А то ведь отношение к вакууму порой напоминает реплику короля Лира: 'Из ничего не выйдет ничего'. Но наша оценка 'ничего' означает лишь то, что мы ничего не знаем о предмете. Столь же неощутимы и невидимы были до недавнего времени электромагнитное поле или рентгеновские лучи. Все существование нашего мира состоит из взаимодействия частиц и полей, их связывающих. Вакуум это когда нет ничего, по-нашему нет никакого существования. А может, это просто другое существование?..

Что можно выжать из вакуума?
Идея выжать из вакуума что-нибудь полезное родилась не вчера. Еще в 1948 году голландец Хенрик Казимир предположил, что если очень близко сдвинуть две пластины, то между ними должно возникнуть притяжение, хотя и совсем крошечное. Внешние флуктуации вакуума как бы придавливают пластины друг к другу. Давление, правда, получается совсем крошечным одна стомиллионная доля атмосферы на пластины с зазором в тысячную долю миллиметра. Но дело в принципе. Если взять пластины метр на метр, хорошенько отполировать их, сдвинуть до микронного зазора, а потом дать им схлопнуться, то получится мощность в мик-

роватт. Маловато, но... Сам я уже так долго занимаюсь научной работой, что подобные 'сумасшедшие' проекты вызывают у меня скептическую усмешку. Но я должен объективно признавать, что мое научное время уже ушло. Я останусь со своей скептической усмешкой в двадцатом веке. Впереди двадцать первый век. Для возрождения веры общества в науку, для возрождения самой науки необходимо открыть что-то такое, чего не найдешь со скептической усмешкой. Хочется верить, что человек, который сделает этот шаг, не потонет в современном антинаучном бреду и, сохранив все лучшее, что создал век уходящий, рванется дальше. 'Привет тебе, Муза поэзии нового века. Привет наш вознесется и будет услышан, как бессловесный гимн червя, перерезанного плугом. Когда настанет новая весна, плуг опять пойдет взрезывать землю и перерезывать нас, червей, ради удобрения почвы, для новой богатой жатвы, нужной грядущим поколениям.' Итак, образование Вселенной, объяснение инерции, неистощимые запасы энергии вот что такое вакуум. Пока нет ясности, концы с концами не сходятся, вместо расчетов фантазии, сомнений нет лишь в том, что надо начинать. Впереди век Вакуума!