Последняя редакция 20.03.2023
Многие современные верующие люди соглашаются с тем, что Вселенная развивается в соответствии
с законами физики. Но долгое время оставался открытым вопрос: откуда возникла сингулярность и
кто создал эти самые законы физики? Уж не бог ли сотворил их, дав, таким образом, начало нашему миру?
Однако и тут квантовая механика дала убедительный ответ, как можно обойтись
без вмешательства создателя.
Сингулярность возникла из вакуума.
Что такое вакуум?
Вакуум вовсе не "ничего". Не пустота. Ныне он превратился в представлении ученых в полноценную
материю с необычными свойствами.
Представьте себе расстояние от Земли до Солнца. Это почти 150 миллионов километров. Расстояние от Солнечной системы до центра
Галактики в два миллиарда раз больше расстояния от Земли до Солнца. А размеры наблюдаемой Вселенной в миллион раз больше расстояния
от Солнца до центра нашей Галактики. И все это огромное пространство заполнено невообразимо большим количеством вещества.
Если представить все это в величинах массы, то получится следующая картина. Масса Земли составляет
пятьсот девяносто семь с девятнадцатью нулями тонн. Огромная величина. Но масса Солнца больше массы Земли
в триста тридцать три тысячи раз. В наблюдаемой области Вселенной суммарная масса составляет порядка десять
в двадцать второй степени масс Солнца. Это огромное пространство заполнено огромным количеством
вещества, масштабы которого плохо поддаются воображению.
Теперь зайдем с другой стороны. Атом во много раз меньше любого известного нам предмета.
В то же время он во много раз больше ядра, находящегося в центре атома. Но именно в ядре сконцентрировано почти все атомарное вещество.
Как уже говорилось, если ядро атома увеличить до размера футбольного мяча, то сам атом будет размером со стадион.
А между электронами и ядром атома остается огромное пространство, не заполненное веществом.
Но это не просто пустое пространство, а особый вид материи, который физики и назвали "физическим вакуумом".
Иными словами, внутри любого предмета вакуум занимает неизмеримо большее пространство, чем вещество.
Все вокруг, да и мы сами, практически целиком состоим из пустоты.
Таким образом, вещество является исключением в пространстве, заполненном вакуумом.
А в масштабах Вселенной - даже редчайшим исключением.
То, что кажется нам пустым пространством, в действительности никогда не бывает совершенно пустым,
поскольку это означало бы, что все поля, включая гравитационное и электромагнитное,
должны в точности равняться нулю. Однако напряжённость любого поля и скорость изменения напряжённости
подобны положению и скорости элементарной частицы. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга,
чем точнее известное нам значение одного из этих параметров, тем менее точным будет значение второго.
Таким образом, в пустом пространстве поле не может постоянно в точности равняться нулю,
потому что тогда мы имели бы сразу два точных (равных нулю) значения сопряжённых величин -
напряжённости поля и скорости её изменения. Вместо этого должна существовать некоторая
минимальная неопределённость, квантовая флуктуация, в значении напряжённости поля.
Понятие "физический вакуум" появилось в науке как следствие осознания того,
что вакуум не есть пустота, не есть "ничто", а наоборот, он представляет собой
чрезвычайно существенное НЕЧТО, порождающее все в мире и задающее свойства веществу,
из которого строится окружающий мир. В настоящее время известно, что вещество своим происхождением
обязано именно вакууму как материальной субстанции, и все свойства вещества задаются свойствами физического вакуума.
Изменяя свойства вакуума, можно изменять свойства вещества.
По расчетам физиков-теоретиков Ричарда Фейнмана и Джона Уилера, в вакууме,
заключенном в объеме обыкновенной электрической лампочки, находится столько энергии,
что можно было бы вскипятить все океаны на Земле. То есть покорение вакуума
полностью решает проблемы энергетического голода.
Вакуум представляет собой океан виртуальных, то есть никак не проявленных частиц. Частиц без всяких
свойств. Частиц в особом, "нулевом" состоянии. Представить это непросто. Ведь
если что-то никак не проявляет себя в этом мире, значит, оно не существует.
Но в квантовой механике "даже если ничего нет, что-то происходит", как заметил кто-то из физиков.
Виртуальные частицы все время выныривают в реальность, то есть
появляются из ничего и тут же исчезают. По закону сохранения заряда возникают
частицы из вакуума только парами - частица вместе с античастицей, например, фотон - антифотон,
электрон - позитрон, протон - антипротон. А по закону сохранения энергии в такой виртуальной паре
одна частица должна обладать положительной энергией, а другая - отрицательной.
Пары возникают и сразу схлопываются - аннигилируют.
Ничто всегда производит что-то, хотя бы на мгновение.
Схлопываются они так быстро, что "увидеть", т.е. зарегистрировать детектором элементарных частиц,
их невозможно. Но можно успеть растащить. Если приложить к вакууму сильное электромагнитное поле,
то можно растащить в разные стороны возникшие электрон и позитрон, прежде чем они схлопнутся.
Такие опыты были поставлены.
Был обнаружен еще один эффект, говорящий о том, что вакуум непрерывно порождает и съедает частицы.
"Если вакуум действительно кипит, то электрон-позитронные пары, которые
образуются вокруг реального атома, должны вносить небольшие коррективы в
движение электрона по атомной орбите - экранировать заряд электрона от внешнего
наблюдателя" - рассуждали физики.
Атомы водорода изображаются протоном в центре и электроном, вращающимся вокруг него,
прыгающим между различными уровнями. Однако как только мы допускаем возможность,
что электронно-позитронные пары могут ненадолго спонтанно появляться из ничего,
прежде чем снова уничтожить друг друга, в течение любого короткого
времени атом водорода выглядит по-другому. Виртуальный электрон, будучи заряженным отрицательно,
будет держаться неподалеку от протона, а позитрон - оставаться дальше.
Фактическое распределение заряда в атоме водорода не объясняется
только одним электроном и протоном.
Итак, движется один электрон, потом в другой точке пространства из ничего
создается пара позитрон-электрон, а затем позитрон встречает первый
электрон, и оба аннигилируют. Впоследствии остается один движущийся электрон.
Но даже если вначале только одна частица и одна частица в конце,
в течение короткого времени есть три движущихся частицы.
В краткий момент посредине что-то рождается из ничего.
Атом водорода |
Атом водорода с виртуальными частицами |
Эти эффекты были обнаружены экспериментально и названы лэмбовским сдвигом.
Более того, виртуальные частицы ответственны за большую часть массы всего, что мы видим во Вселенной.
В том числе и за большую часть массы нашего тела.
Есть и другое доказательство того, что вакуум содержит энергию, которая может быть
преобразована в материю - так называемый эффект Казимира. Он заключается во взаимном
притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме.
Проще говоря, в пустом пространстве есть энергия, которая может воздействовать на физические объекты.
Эффект был предсказан голландским физиком Х. Казимиром в 1948 году, а позднее подтвержден экспериментально.
В 2022 году ученые под руководством нобелевского лауреата Андрея Гейма выяснили,
что внутри графена можно воссоздать условия, идентичные тем, в которых материя возникает
из вакуума в окрестностях черных дыр и других космических объектов.
Вакуум постоянно порождает вещество и антивещество, которые почти мгновенно аннигилируют.
За исключением случая, когда это происходит вблизи черной дыры. Эта особенность приобрела существенное
значение в теории излучения черной дыры Стивена Хокинга.
Согласно этой теории, сильное гравитационное поле вблизи горизонта событий черной дыры
разделяет возникающие там пары частиц и античастиц прежде, чем они успеют аннигилировать.
Одну из частиц пары оно всасывает внутрь черной дыры, вторую излучает в бесконечность.
Это излучение получило название излучения Хокинга. Его можно засечь с помощью специальных телескопов.
Если вакуум порождает материю, то вакуумная флуктуация могла породить сингулярность.
Ведь сингулярность имеет размеры квантовые, значит, к ней можно применить механику квантового мира.
Современная концепция вакуума рассматривает его как материальный объект. Он не движется
(по крайней мере, обнаружить это невозможно), но может расширяться, и это весьма важно для понимания Большого взрыва.
Вакуум содержит постоянное поле Хиггса; оно заполняет все пространство целиком и
отвечает за придание частицам их массы. Он содержит также темную энергию, ответственную за
ускорение расширения Вселенной.
Более подробно и популярно о микромире можно прочитать в замечательной книге английского
физика-теоретика Стивена Хокинга "Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр".
Книга хоть и описывает довольно сложные моменты мироздания, но написана доступным
языком, читается легко и вполне понятна человеку со средним образованием.
Другая научно-популярная книга, посвященная космологии и квантовой механике -
"Вселенная из ничего" Лоуренса Краусса.
