Квантовое предсказание 70-летней давности сбылось: как ученые впервые создали что-то из ничего

Во Вселенной существует множество законов сохранения — энергии, импульса, заряда и так далее. Многие свойства физических систем сохраняются: они не могут быть просто созданы или уничтожены. Рациональное мышление говорит нам, что мы не можем получить что-то из ничего. Но в квантовой сфере это оказывается возможным.

Благодаря научному прогрессу, мы уже несколько лет как научились создавать даже саму материю, имитируя ситуацию через секунды после Большого взрыва. Для этого мы сталкиваем вместе два кванта в коллайдерах при настолько высоких энергиях, которые обеспечивают возникновение равных частей материи и антиматерии по формуле E = mc². А недавно человечеству впервые удалось создать реальные частицы материи вообще без столкновений и каких-то частиц-предшественников. С помощью сильных электромагнитных полей и эффекта Швингера впервые что-то возникло вообще из ничего.

Обычное рациональное мышление говорит нам, что мы не можем получить что-то из ничего. Так не бывает. Сюда же склоняет нас и первый закон термодинамики: «энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одного состояния в другое». Но теория Большого взрыва, а потом и работы Лоуренса Краусса, Швингера и Казимира, постепенно разбивают эту парадигму.

Теперь, если кто-то говорит, что «вы не можете получить что-то из ничего», значит, он не знает квантовую физику. Первым законом термодинамики на микроуровне можно пренебречь за счет существования античастиц, которые позволяют играть с общим количеством энергии в системе. И теперь мы точно знаем, что если у вас есть пустое пространство — максимальное «ничто» в любом физическом смысле — им можно специальным образом манипулировать, и там неизбежно возникнет что-то.

Если с силой столкнуть две частицы в бездне пустого пространства, иногда появляются дополнительные пары частица-античастица. Или можно взять мезон и попытаться оторвать в нём кварк от антикварка, в результате чего из пустого пространства там тоже возникнет новая пара частица-античастица, чтобы заполнить возникшую брешь. А в теории достаточно сильное электромагнитное поле может вырывать частицы и античастицы из самого вакуума, даже вообще без каких-либо исходных рудиментарных кусочков материи.

Раньше считалось, что для реализации таких эффектов нужны самые высокие возможные энергии — такие, которые можно получить только в коллайдерах или экстремальных астрофизических условиях. Но в начале 2022 года достаточные электрические поля были созданы в обычной лаборатории за счет использования уникальных свойств графена. Это позволило ученым спонтанно создавать пары частиц и античастиц из ничего. Из абсолютно пустого пространства.

Предсказание о том, что это должно быть возможно, было сделано 70 лет назад: оно восходит к одному из основателей квантовой теории поля Джулиану Швингеру. Эффект Швингера теперь однозначно подтвержден и он учит нас тому, как Вселенная действительно может возникнуть из ничего. Что, например, придает еще больше веса теории Большого взрыва, и вряд ли порадует креационистов.

На самом деле, во Вселенной, в которой мы живем, очень сложно найти это самое «ничего». Все, что существует, можно разложить на отдельные фундаментальные сущности — кванты, которые не могут быть разбиты дальше. Эти элементарные частицы — это кварки, электроны, некоторых более тяжелых родственников электрона (мюоны и тау), нейтрино, а также все их аналоги из антиматерии. Плюс — фотоны, глюоны и тяжелые бозоны: W+, W-, Z0 и бозон Хиггса. Если мы возьмем любой фрагмент вакуума, всего этого там будет в избытке.

Но даже если нам как-то всё это удастся убрать, оставшееся «пустое пространство» будет совсем не пустым во многих физических смыслах.

Во-первых, даже в отсутствии частиц остаются квантовые поля. Точно так же, как мы не можем убрать законы физики из Вселенной, мы не можем убрать из нее квантовые поля, пронизывающие всю Вселенную.

Во-вторых, как бы далеко мы ни убирали какие-то источники материи, существуют две дальнодействующие силы: электромагнетизм и гравитация. Они достанут нас даже на другом конце Вселенной, гарантируя, что даже на наш изолированный кусочек пространства всё-таки что-то действует.

Мы научились делать хитрые установки, гарантирующие, что напряженность электромагнитного поля в отдельно взятой области равна нулю. Но мы не можем сделать этого для гравитации. В итоге, пока оно существует, пространство не может быть «полностью пустым» в этом смысле, на него всё равно будут действовать какие-то силы.

Это даже относительно легко проверить на практике — благодаря эффекту Казимира. Все, что вам нужно сделать, это разместить набор параллельных проводящих (но незаряженных) пластин в полном вакууме на расстоянии микрометров друг от друга. Если бы вакуум был пустым, можно было бы ожидать, что единственной силой, которая будет влиять на эти пластины, окажется гравитация, обусловленная их взаимным гравитационным притяжением. Но на деле оказывается, что плиты притягиваются куда сильнее, чем могла бы предсказать гравитация. На расстояниях порядка 10 нм — сотни размеров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

Это физическое явление было проверено и подтверждено на практике Стивом Ламоро в 1996 году, через 48 лет после того, как его рассчитал Хендрик Казимир. И все отлично знают причину этого явления: энергетические колебания вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём триллионов виртуальных частиц.

Явление отлично изучено, наличие виртуальных частиц — доказано, и мы уже давно изучаем мир с учетом этого знания. Например, ещё в 1975 году Стивен Хокинг выпустил свою работу по поводу того, что позже стали называть излучением Хокинга. О том, как мельчайшие виртуальные частицы, спонтанно возникающие в вакууме, со временем приводят к постепенному испарению чёрных дыр. 9 января 2019 года исследователи из Израиля подтвердили, что им удалось в лабораторных условиях симулировать излучение Хокинга.

В общем, даже если вы создадите идеальный вакуум, лишенный всех частиц и античастиц, где все электрические и магнитные поля равны нулю, в этой области всё равно что-то присутствует. И это «что-то» будет активно влиять на свое окружение.

Эффект Казимира исключает определенные электромагнитные проявления между проводящих пластин, но разрешает их вне пластин, что создает дополнительное давление от квантовых флуктуаций извне. В результате пластины притягиваются, как предсказал Казимир и экспериментально подтвердил Ламоро

В в 1951 году Джулиан Швингер, на то время уже один из основателей квантовой теории поля, описывающей электромагнитное взаимодействие, дал полное теоретическое описание того, как материя может быть создана из ничего. По его словам, для этого достаточно сильного электрического поля. Хотя другие предлагали эту идею еще в 1930-х годах, в том числе Фриц Заутер, Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер, сам Швингер проделал тяжелую работу, чтобы точно математически определить, при каких условиях должен проявиться такой эффект. И с тех пор он известен прежде всего как эффект Швингера.

Суть в том, что в любом пустом пространстве неизбежно будут возникать квантовые флуктуации: возбуждения различных квантовых полей. И если мы приложим достаточно сильное электрическое поле для этого объема пространства, некоторые из связей между виртуальными частицами и античастицами можно будет разорвать, получив в итоге пару реальных частиц с противоположным зарядом.

Принцип неопределенности Гейзенберга диктует, что определенные величины на квантовом уровне не могут быть известны одновременно. Это включает в себя такие вещи, как:

Обычно люди фокусируются на первой паре величин — из неё можно получить много интересных научно-фантастических концептов. Но для нашего случая особенно важна последняя. Если квантовые поля есть везде, то, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, везде будет присутствовать неопределенное количество энергии. И чем короче период времени, в котором мы будем обозревать это пространство, тем больше будет неопределенность в количестве энергии, присутствующей в этом пространстве.

Применяя этот принцип ко всем допустимым квантовым состояниям, мы можем начать визуализировать флуктуирующие (постоянно меняющиеся) поля, а также флуктуирующие пары частица-античастица, которые появляются и исчезают из-за работы квантовых сил Вселенной. Это так называемые квантовые флуктуации.

На практике они выглядят так:

Даже в вакууме пустого пространства, лишенного масс, зарядов, искривления пространства и каких-либо внешних полей, все еще существуют законы природы и лежащие в их основе квантовые поля. Если рассчитать состояние с наименьшей энергией, можно обнаружить, что оно не совсем равно нулю; нулевая (или вакуумная) энергия в нашей Вселенной кажется положительной и конечной, хотя и небольшой.

Теперь давайте представим себе усиление напряженности электрического поля, действующего на такую точку пространства. Если усиливать его всё сильнее и сильнее, до триллионов и септиллионов вольт на метр, что произойдет?

Можно взять самый простой случай и представить, что в пространстве уже присутствует одна частица определенного типа: мезон. Мезон состоит из одного кварка и одного антикварка, которые связаны друг с другом сильным взаимодействием и обменом глюонами. Кварки бывают шести разных видов, а антикварки — это просто анти-версии каждого из них с противоположными электрическими зарядами.

Если приложить к мезону электрическое поле, положительно заряженная часть и отрицательно заряженная часть будут тянуться в противоположных направлениях. И если напряженность поля достаточно велика, кварк и антикварк можно оттянуть друг от друга настолько, что из пустого пространства между ними вырвутся новые пары частица-античастица. В результате мы получим два мезона вместо одного, а энергия, необходимая для создания этой дополнительной массы (через E = mc²) возьмется из энергии электрического поля, которое разорвало мезон на части. Напряженность внешнего электрического поля уменьшится на соответствующую величину.

Пары частица-античастица вырываются из квантового вакуума на очень короткое время из-за принципа неопределенности Гейзенберга. В присутствии достаточно сильного электрического поля эти пары могут быть разорваны в противоположных направлениях, что сделает их неспособными к мгновенной аннигиляции и вынудит их стать реальными частицами — за счет энергии прилагаемого электрического поля.

Вот что такое эффект Швингера, позволяющий образоваться материи. И неудивительно, что его никогда нигде не наблюдали. На самом деле, теоретически такое может произойти только в самых высокоэнергетических астрофизических местах во Вселенной: пространствах возле (или даже внутри) черных дыр и нейтронных звезд. От ближайших таких объектов нас отделяют огромные космические расстояния, поэтому мы не можем наблюдать ничего из того, что там происходит.

Самые сильные электрические поля, которые мы создали на Земле, находятся на лазерных установках, и даже с самыми интенсивными лазерами с самой короткой длительностью импульса мы все еще даже близко не подходим к нужному уровню энергии, чтобы создавать хотя бы мезоны и кварки.

Обычно, когда у вас есть проводящий материал, только «валентные», внешние электроны могут перемещаться по нему, создавая проводимость. Но если бы мы могли создать достаточно большие электрические поля, можно было бы заставить все электроны присоединиться к общему потоку. И в январе этого года ученые из Манчестерского университета смогли сконструировать для этого сложную и очень хитрую установку с использованием графена — крайне прочного материала, состоящего из атомов углерода, связанных вместе в геометрически оптимальных состояниях.

В результате у них получилось достичь максимального «участия» электронов и создать невероятной силы электрическое поле на относительно небольшой установки. Как результат, они впервые в истории смогли наблюдать эффект Швингера в действии: возникновение ряда электронно-позитронных пар из ниоткуда.

Графен — во многих отношениях странный материал. Одна из его особенностей состоит в том, что его листы ведут себя, по сути, как двумерная структура. Уменьшается количество измерений, отсутствуют многие степени свободы. Поэтому для квантовых частиц внутри остается гораздо меньше вариантов конфигураций, плюс уменьшается набор доступных квантовых состояний. Поэтому ученые и решили использовать структуру на основе графена — так называемую «сверхрешетку». Это позволило им индуцировать то самое поведение: к потоку электронов присоединялись не только валентные электроны, но и электроны, расположенные внутри атома.

Исследователи заполнили смоделированный вакуум электронами и разогнали их до максимальной скорости, допускаемой вакуумом графена, которая составляет 1/300 скорости света. В этот момент произошло нечто, казалось бы, невозможное: электроны как бы стали сверхсветящимися, и обеспечили напряженность электрического поля мощнее, чем это допускается общими правилами квантовой физики.

Как только это произошло, в материале возникло множество экзотических явлений. Одно из них было замечено впервые: эффект Швингера. Вместо электронов и позитронов в графене возникали электроны и аналоги позитронов в конденсированном состоянии, «дырки», текущие в направлении, противоположном потоку электронов. Единственным способом объяснить конфигурацию наблюдаемых токов был этот дополнительный процесс самопроизвольного образования электронов и «дырок». Вся математика в точности сходилась с выводами Швингера еще в 1951 году.

Как выразился соавтор работы доктор Рошан Кришна Кумар:

С электронами и позитронами (или, в данном случае, «дырками»), созданными в прямом смысле из ничего, просто вырванными из квантового вакуума электрическими полями, Вселенная еще раз продемонстрировала нам, что даже невозможное возможно. Мы действительно теперь можем создавать что-то абсолютно из ничего! Великие квантовые предсказатели прошлого века могли бы нами гордиться.

Автор оригинала: Ethan Siegel