Вакуумная энергия: от эффекта Казимира к космическим кораблям будущего

Идея Гендрика Казимира для эксперимента была проста: сблизить два металлических объекта на очень малое расстояние и подождать. Без всяких внешних сил, без толчков и тяг, без воздействия гравитации, напряжения или магнетизма, объекты начнут сближаться. Причиной этого является неисчерпаемый источник вибрации, присутствующий в самом вакууме пространства-времени.

Этот революционный эксперимент , впервые предложенный Казимиром сразу после Второй мировой войны и реализованный только 25 лет назад, открыл ученым возможность наблюдать за проявлениями квантовой теории в реальности, на практике. Квантовые поля и их вибрации лежат в основе нашего современного понимания физики, от субатомных взаимодействий до эволюции всей Вселенной. Благодаря работам Казимира мы узнали, что бесконечная энергия пронизывает вакуум пространства. В научной фантастике существует множество идей о использовании энергии вакуума для питания космических кораблей или других передовых систем движения, например, варп-двигателя. Хотя эти идеи пока остаются мечтами, факт в том, что простой эксперимент, задуманный в 1948 году, разжег наше воображение и понимание Вселенной.

Казимир, голландский физик, провел свои аспирантские годы с наставником Нильсом Бором, одним из основоположников квантовой физики, и увлекся этой новой, необычной теорией космоса. Но по мере развития квантовой теории она начала делать крайне странные заявления о Вселенной. Квантовый мир странен, и его крайняя странность обычно невидима для нас, работая на масштабах, гораздо меньших нашего обычного человеческого восприятия или экспериментирования. Казимир задался вопросом, как мы могли бы проверить эти идеи.

Он открыл необычный метод измерения воздействий бесконечных квантовых полей, которые пронизывают все вокруг нас, используя просто небольшие металлические пластины, расположенные на крайне небольшом расстоянии друг от друга. Это исследование показало, что квантовые явления могут проявляться по-настоящему поразительным образом, доступным для наблюдения и измерения. Более того, оно подтвердило, что квантовая странность - это объективная реальность, которую нельзя отрицать или игнорировать. Доказано, что, сколь бы необычными ни казались предсказания квантовой механики о механизмах работы Вселенной, они имеют под собой твердую основу и должны быть признаны. Таким образом, квантовые поля, хоть и кажутся чем-то из ряда вон выходящим, на самом деле являются реальностью, с которой мы сталкиваемся ежедневно.

Один из уроков квантового мира заключается в том, что частицы, такие как электроны, фотоны, нейтрино и прочие, на самом деле не то, чем кажутся. Вместо этого каждая из частиц, которые мы видим в природе, на самом деле является лишь частью гораздо большей, более величественной сущности. Эти величественные сущности известны как квантовые поля, и поля пронизывают каждый кусочек пространства и времени по всей Вселенной так же, как масло и уксус пропитывают кусок хлеба.

Квантовое поле существует для каждого типа частицы: одно поле для электронов, одно для фотонов и так далее. Эти поля невидимы для нас, но они составляют фундаментальные строительные блоки существования. Они постоянно вибрируют и жужжат. Когда поля вибрируют с достаточной энергией, появляются частицы. Когда поля угасают, частицы исчезают. Другими словами, то, что мы называем "частицей", на самом деле является локализованной вибрацией квантового поля. Когда две частицы взаимодействуют, это на самом деле взаимодействие двух кусочков квантовых полей.

На самом деле не существует абсолютного вакуума; куда бы вы ни пошли, всегда есть вибрирующие квантовые поля. Эти квантовые поля всегда вибрируют, даже когда эти вибрации недостаточно сильны, чтобы произвести частицу. Если вы возьмете коробку и вытащите из нее все вещество – все электроны, все фотоны, все нейтрино, все все – коробка все равно будет заполнена этими квантовыми полями. Поскольку эти поля вибрируют даже в изоляции, это означает, что коробка заполнена невидимой энергией вакуума, также известной как энергия нулевой точки – энергия этих фундаментальных вибраций.

На самом деле можно вычислить, сколько вибраций содержится в каждом из этих квантовых полей... и ответ – бесконечность! Есть маленькие, средние, большие и гигантские, все они непрерывно перекрывают друг друга, как если бы само пространство-время кипело на субатомном уровне. Это означает, что вакуум Вселенной действительно состоит из чего-то. Не существует абсолютного вакуума; куда бы вы ни пошли, всегда есть вибрирующие квантовые поля.

Вот где вступает в действие эксперимент Казимира: если взять две металлические пластины и прижать их очень, очень близко друг к другу, квантовые поля между этими пластинами должны вести себя определенным образом: длины волн их вибраций должны идеально вписываться между пластинами, точно так же, как вибрации на гитарной струне должны соответствовать длине струны. В квантовом случае между пластинами все еще существует бесконечное количество вибраций, но – и это важно – между пластинами вибраций меньше, чем снаружи.

Как это возможно? В математике не все бесконечности одинаковы, и мы разработали изощренные инструменты для их сравнения. Например, рассмотрим один вид бесконечности, когда вы последовательно добавляете числа друг к другу. Вы начинаете с 1, затем добавляете 2, затем 3, затем 4 и так далее. Если продолжать это сложение бесконечно, вы достигнете бесконечности. Теперь рассмотрим другой вид сложения, этот раз с использованием степеней 10. Вы начинаете с 10^1, затем добавляете к нему 10^2, затем 10^3, затем 10^4 и продолжаете.

Используя этот изощренный математический прием, мы можем вычесть два вида бесконечностей – те, что между металлическими пластинами, и те, что снаружи – и получить конечное число. Это означает, что снаружи двух пластин действительно больше квантовых вибраций, чем внутри. Это явление приводит к заключению, что квантовые поля снаружи пластин толкают их вместе, что называется эффектом Казимира в честь Гендрика.

Эффект невероятно мал, примерно 10^-12 Ньютонов, и требует, чтобы металлические пластины находились на расстоянии микрометра друг от друга. Поэтому, хотя Казимир мог предсказать существование этого квантового эффекта, только в 1997 году нам наконец удалось его измерить, благодаря усилиям физика из Йельского университета Стива Ламоро.