Добрый день, уважаемые посетители! Сегодня я хочу поговорить о пустоте. Да-да, об абсолютной пустоте. Википедия определяет понятие «пустота́» как «незаполненность, отсутствие чего-либо», а также как «полное отсутствие каких-либо частиц в пространстве — вакуум». В английской версии «emptiness» как «the state of being empty, i.e., not containing anything» или «lack of matter, or vacuum».
Оксфордский студенческий словарь описывает «emptiness» как «having nothing or nobody»; Lexico онлайн словарь определяет «emptiness» как «The state of containing nothing»; и т.д. В итоге, все источники приходят к идее, что понятие «пустота» эквивалентно понятию «ничего».
Но так ли это? Можно ли вообще считать пустоту как просто состояние отсутствие всего? Или все-же это абсолютно иная и уникальная форма материи, которая просто нами не изученная? Ведь не зря же физиков давно волнует загадка энергии вакуума; а это, по логике, противоречит идее полного отсутствия, потому-то ничто не может производить что-то измеряемое… Наш уважаемый эксперт, вам слово!
Дмитрий Бурштын: Вакум — это наверное самое загадочное понятие в физике.
В классической физике понятие вакуума просто и понятно — это область в пространстве в которой отсутствуют частицы.
Но вот в квантовой физике вакуум — это что-то совсем иное. В квантовой теории поля (в частности в квантовой электродинамике — наиболее точной экспереминтально проверенной физической теории) физический вакуум — это низшее (основное) энергетическое состояние квантового поля, обладающее нулевыми импульсом и другими нулевыми квантовыми числами. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей.
То есть физический вакум — это не пустота, а «суп» из постоянно рождающихся из вакума и тут-же анигилирующих в вакум пар частица-античастица.
Это выглядит парадоксально и фантастично, но тем не менее это абсолютно реально и доказанно эксперементально.
Как яркий пример — Эффект Казимира.
Поместите в вакууме две паралллельные металлические пластинки очень близко друг от друга. Ваккумная энергия между пластинами немного ниже чем энергия вакуума в пространстве снаружи от пластин. Эта разница в энергиях вакуума снаружи и между пластинами приводит к появлению силы которая притягивает пластины друг к другу.
This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (under the terms of the GNU Free Documentation License)
Этот эффект был теоретически предсказан Казимиром в 1948, впервые экспериментально проверен в 1958, и с большой точостью (95%) в 1998.
Один из наиболее загадочных аспектов энергии вакуума заключается в том, что, в соответствии с рассчётами квантовой теории поля, она бесконечна! И это те самые расчёты, которые очень точно предсказали экспериментально измеренную величину силы действующей на пластины в эффекте Казимира!
[Stephen Reucroft, John Swain, “What is the Casimir effect?”, Scientific American, June 22, 1998]
Другой пример — это сонолюминисценция.
Сонолюминесце́нция это явление возникновения вспышки света при схлопывании пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. То есть если в ванне с жидкостью запустить ультразвуковуию волну большой мощности — то взрываюшиеся микро-пузырьки воздуха создают вспышкы света, как будто в пузырьках температура воздуха поднимается до десятков тысячь и даже миллионов градусов. Однозначного обьяснения этому явлению, обнаруженному в 30-е годы прошлого века до сих пор нет, однако главный кандидат на обьяснение сонолюминисценции — Динамический Эффект Казимира. То есть это энергия вакума высвобажденная наружу движущимися с большим ускорением стенками микро-пузырьков воздуха.
This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic license.
Но всё-таки самым глобальным проявлением энергии вакума является тёмная энергия, составляющая 68% (!) всей энергии во вселенной. В соответствии со Стандартной Космологической Моделью (Λ-CDM model), Λ — космологическая постоянная (=тёмная энергия), ответственная за ускоренное расширение вселнной — это и есть энергия вакума.
Сложные структуры квантового вакуума — та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных.
[S. Carlip “Hiding the Cosmological Constant” Phys.Rev.Lett. 123, 131302; Sean M. Carroll “The Cosmological Constant” Living Rev. Relativity, 4, (2001), 1]
Резюмируя всё сказанное выше, с точки зрения современной физики вакуум — это не «пустота» , а море рождающихся из «ничего» и исчезающих в «ничто» частиц. Вакуум является сложнейшей динамической системой, обладающей энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными частицами, и его структура и динамика определяют фундаментальные свойства нашего мира.