Имеется в виду не тот «технический вакуум», который образуется в результате откачивания воздуха из какого-либо сосуда, а особое состояние материи.
О том, что в природе должна существовать некая «пустота» – «ничто», догадывались еще великие философы древности. Хотя такой выдающийся мыслитель, как Аристотель, подобной точки зрения не разделял. Его удивляло то, что существует «нечто», а не «ничто», однако в своей знаменитой «Физике» он утверждал, что «природа боится пустоты».
Тем не менее было время, когда считалось, что окружающий нас мир состоит из вещества и пустоты – пространства, лишенного материи, своеобразной универсальной арены, на которой разыгрываются все происходящие в природе физические процессы. Картина для своей эпохи в общем-то вполне естественная, само собой разумеющаяся, основанная на каждодневных наблюдениях за окружающей природой, практическом опыте людей, данных классической физики, здравом смысле, наконец. Однако обыденный здравый смысл, как мы многократно отмечали, советчик ненадежный, а наглядные представления скользят по поверхности и не в состоянии проникнуть в сокровенную глубину явлений – вспомним принцип Коперника.
Интересно, что позицию, отличающуюся от аристотелевской, занимал Галилео Галилей, считавший, что хотя природа и боится пустоты, но лишь в определенной степени: упругость твердых тел он объяснял тем, что между составляющими эти тела мельчайшими частицами имеются свободные пространства – своеобразные «поры», не заполненные веществом.
Однако с развитием науки понятие «пустоты» претерпело весьма существенные, более того, принципиальные изменения. Выяснилось, что абсолютной пустоты в природе вообще не бывает. И в этом смысле ближе к истине был все же Аристотель. Ее нет даже там, где полностью отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XIX столетии выдающийся физик М. Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, пришел к заключению, что материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Любая область пространства всегда заполнена какими-либо видами материи – различными излучениями и полями.
Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось просто вместилищем, заполненным бесчисленными материальными объектами.
Но в начале XIX века развитие оптики заставило ученых задуматься над тем, что представляет собой свет и каким образом он распространяется? Было высказано предположение, что по аналогии со звуковыми волнами, распространяющимися в упругой среде, световые волны также распространяются в особой среде – все заполняющем «эфире». Колебания эфира – и есть световые волны.
Но вскоре был обнаружен факт, вступавший с гипотезой эфира в непримиримое противоречие. Оказалось, что световые волны носят поперечный характер, иными словами, направление колебаний в световой волне перпендикулярно направлению ее распространения. Но поперечные волны могут распространяться только в твердых телах… Эфир же абсолютно твердым быть не может, в противном случае в нем не могли бы двигаться планеты…
И тем не менее в различных вариантах представления об эфире сохранялись еще довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном специальная теория относительности не покончила с ними, на этот раз уже навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель – световое излучение само является материей особого рода.
Казалось, что проблема тем самым возвращается к своему первоначальному состоянию: вакуум – абсолютная пустота.
И только в связи с развитием квантовой физики в начале XX столетия представления о «пустоте» вышли на совершенно новый уровень. Важная роль в развитии этих представлений принадлежала выдающемуся физику-теоретику Полю Дираку.
Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение. «Проблема точного описания вакуума, – писал он, – по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно рассчитывать на правильное описание чего-либо более сложного». Однако задача построения теории физического вакуума оказалась значительно сложнее, чем предполагал Дирак. В частности, из его собственных работ вытекало, что «вакуумное море» почти ничем не проявляет себя.
Тем не менее, по мере дальнейшего развития науки, накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что «физический вакуум» не есть чисто условное изобретение ученых, а реальное физическое состояние материи. Тот же Дирак предполагал, что если из вакуума в результате внешнего энергетического воздействия удастся «выбить» электрон, превратив его в реальную вещественную частицу, то на его месте в «вакуумном океане» должна остаться своеобразная «дырка», обладающая всеми свойствами электрона, но положительным зарядом. И уже спустя год после этого предсказания «положительный электрон» – «позитрон» был экспериментально обнаружен в космических лучах.
В дальнейшем выяснились факты еще более поразительные. Оказалось, что помимо вещества, полей и излучений существует еще одна весьма необычная, образно говоря, «скрытая» форма существования материи – «физический вакуум». Впрочем, «скрытая», но не совсем. В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют и снова уходят в вакуум.
В частности, было установлено, что родившийся из физического вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение исключительно малого промежутка времени – всего 10-22 с. За это время он никак не может «проявить себя», то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицей.
Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя – отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать…
Это – основное, ключевое утверждение в современных представлениях о вакууме. Любая микросистема все время должна двигаться. В каждом малом объеме пространства непрерывно рождаются пары «частица – античастица». Они рождаются и тут же аннигилируют, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В каждый момент в рассматриваемом объеме существует многообразие частиц и квантов излучения.
Таких элементарных частиц – не только электронов и позитронов, – возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое множество. Подобные «невидимые» частицы назвали «виртуальными». Они одновременно как бы существуют и не существуют! Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергия недостаточна, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали «нулевыми колебаниями вакуума».
Следует признать, что у физиков хорошо развито воображение. Многие названия и термины представители этой науки придумывают в высшей степени удачно. Они не только достаточно точно отражают физическую сущность того или иного явления, но создают его впечатляющий образ.
«Нулевые колебания»… А если не «нулевые»? Возможно ли это? Оказывается, возможно. При определенных обстоятельствах «нулевые колебания» начинают себя проявлять. При этом должны возникать особые эффекты, которые в принципе можно зарегистрировать. И некоторые из них, действительно, зарегистрированы…
Мы вплотную подошли к весьма сложным «материям», к физическим явлениям, которые в окружающем нас мире ни с чем сравнить нельзя, поскольку они ни на что не похожи. Поэтому представить себе подобные явления в наглядных образах практически, увы, невозможно.
Но что поделать, так устроен окружающий нас мир. Он сложен, противоречив и полон самых неожиданных связей. Потянешь за одно «звено», за одну «ниточку», а отзовется не только по соседству, но и в областях, казалось бы, очень и очень отдаленных. Вот и приходится к ответам на интересующие нас вопросы пробираться окольными путями, решая по дороге множество побочных задач…
