Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

меньшим, чем в случае первых двух, и т. д. Тогда последовательный учет все большего числа виртуальных частиц дает все более точную картину взаимодействия. Но если учет каждой следующей виртуальной частицы сильно меняет общий результат, то, значит, полная картина взаимодействия не сводится к дискретным актам обмена виртуальными частицами, а само понятие виртуальной частицы тогда оказывается довольно бесполезным.

Возвращаясь к «настоящим» квантам фундаментальных полей, я предвижу легкое недоумение относительно того, в чем же происходят все те колебания, которые составляют каждое из полей, что это за «среда», что там колеблется и чем порождается «упругость», требуемая для поддержания колебаний. Ответ оказывается очень коротким, потому что не предполагает объяснений одной вещи через другую (все объяснения должны когда-то останавливаться, и сейчас как раз такой момент). Все эти колебания в квантовом исполнении – свойство самих полей. Согласно современным представлениям, эти колебания и есть фундаментальная физическая реальность. Им не нужна никакая среда, они ни из чего не состоят; наоборот, все остальное состоит из них.

*****

Кипящая пустота. Из-за нулевых колебаний даже пустота (вакуум) «не совсем пуста». Вообще-то устроить пустоту означает убрать все, что можно убрать, и держать это все где-то еще: освободить помещение от всего, так сказать, движимого имущества. Однако там обнаруживается скрытое «недвижимое» – нечто, лежащее на самом дне, что нельзя «вымести» никакими средствами. Желая создать пустоту в выбранном объеме, мы убираем оттуда все элементарные частицы, какие только попадутся. Таким образом мы освобождаем объем от огромного числа носителей энергии. Но устройство вещей не позволяет забрать нулевые колебания квантовых полей. Они остаются, хотя и не принимают вида наблюдаемых частиц («шепот, который никто не слышит»); при этом они происходят абсолютно везде в том разнообразии и постольку, в каком и поскольку во Вселенной имеются фундаментальные поля A, B, C, … – каждое из них имеет свои нулевые колебания. Любое квантовое поле, существование которого заявлено во Вселенной, нельзя удалить совсем, его можно только оставить в состоянии с наименьшей энергией – энергией нулевых колебаний. Если вы зарегистрировались в качестве участника на достаточно серьезных соревнованиях, но не стали выходить на игры, то нельзя сказать, что вы совсем не присутствуете, хоть вас и не видно. Вы заявлены, и другие участники получают очки за победу над вами из-за вашей неявки. А если случится так, что разным участникам при этом присвоят разное количество очков, ваша «нулевая» роль внезапно окажется заметной. Почти так и происходит с пустотой.

Пустота – там, где только нулевые колебания

Наверное, нулевые колебания могли бы тем или иным образом проявлять себя, если бы имелась другая версия пустого пространства, в которой нулевые колебания были бы устроены как-то иначе; тогда, ставя эксперименты и в том, и в другом пространстве, можно было бы прийти к каким-то заключениям о роли нулевых колебаний. Но ведь пространство у нас одно, с фиксированным составом «зарегистрированных» полей, да? Примерно так позднее описывал свои мысли и сомнения Казимир[222], который первым понял, что «другой вариант пространства» можно создать, расположив в вакууме параллельно друг другу две плоские пластины. Если они не заряжены, но идеально проводят электрический ток, то на границах пластин должны быть равны нулю электрическое поле вдоль пластины и магнитное поле поперек нее. Даже нулевые колебания электромагнитного поля, несмотря на то что их «совсем не видно», должны удовлетворять этим условиям. Но поле в зазоре между пластинами подчиняется таким условиям с двух сторон, тогда как во внешнем пространстве ограничение имеется только с одной стороны. Поэтому колебания между пластинами должны удовлетворять большему числу условий – и самих колебаний оказывается в некотором роде меньше. Это распространяется и на нулевые колебания, которые хоть и нулевые, но несут энергию. Недостаток энергии нулевых колебаний между пластинами зависит от расстояния между ними, а в таких случаях всегда возникает сила: пластины притягиваются. На расстоянии микрона их прижимает друг к другу давление, составляющее порядка десятка миллиардных долей (10–8) атмосферного. Это не слишком большая величина, но ее можно измерить. И это притяжение довольно чувствительно к расстоянию между пластинами: уменьшение зазора вдвое приводит к увеличению силы притяжения в 16 раз (а в 10 раз ближе – в 10 000 раз сильнее). В реальных опытах наблюдаемая сила меньше из-за неидеальности пластин (в отношении и их проводимости, и шероховатости поверхности; да, и вычисления Казимира относились к абсолютному нулю температуры). Тем не менее она зафиксирована экспериментально[223].

*****

Один мир – две системы. Кванты одного поля – элементарные частицы одного вида – одинаковы. Но это не всё! Они неразличимы. Если у вас и у вашей приятельницы есть по электрону, которые вы запускаете с разных сторон в пустую коробку и позволяете им взаимодействовать друг с другом, то у вас нет возможности после этого с гарантией отнести домой именно «свой» электрон. Ситуация радикально отличается от обмена шариками марблс, когда вы наверняка сможете найти подходящий фломастер, чтобы предварительно поставить метку на своем шарике; если шарик такой, что на нем совсем ничего не пишет, возьмите тонкое сверло и сделайте маленькую выщербину. На элементарном же объекте «не пишет» никакой фломастер – у него нет никакой структуры, на которую можно было бы нанести отметку или из которой можно было бы выщербить кусок. Вы можете, конечно, постараться не сводить глаз с «вашего» электрона, чтобы потом унести обратно именно его. Но и эта стратегия обречена, потому что у электрона в коробке нет ясной траектории и, когда два электрона взаимодействуют, они «спутывают следы», лишая вас возможности проследить за тем, кто из них в точности что делал[224].

Рис. 10.13. Клоны в тесном взаимодействии. В отличие от ситуации в квантовом мире, мы все же в состоянии проследить за каким-то одним из них

Кванты одного поля лишены индивидуальности

Неразличимость – свойство каждого вида элементарных частиц. Природа не позволяет приписать им индивидуальность. В этом смысле кванты ближе к битам информации, чем к шарикам марблс. Действительно, если вы пожелаете отличить один бит «0» от другого бита «0», то немедленно окажется, что вы имеете дело уже не