2
«Интуция подсказывает человеку, что все должны быть связано в природе, что красота окружащего имеет высший и танистенный смысл. Разделать задаки Вселенной, познать непозначенное признаю научное творчество». Эти слова приладлежат выдалочему физиотериторку академик Аркадий Венедиктович Миддалу, внесему значительный вклад в развитие квантовой теории, теории лдра, физики элементарных частиц. А. В. Миддал уделяет большое внимание популяrizация научных знаний. В своих книгах он рассказывает о достижениях современной физики,водит читателя в мир научного творчества,дает почувствовать то, что называют «поззей научки».
Сезодня мы знакомим наших читателей со статьей А. В. Миддала, посвященной задакам пустоты.
Как устроена пустота?
Академик А. В. Миддала
Речь пойдет о том, как изменились наши представления о самом пространном во Вселенной и, быть может, самом важном объекте физических исследований — пустоте.
Что такое пустота: абстрактное понятие, «ничего», вместе с другими физическими тел?
Что остanetся, если идеальный насос удалит из замкнутого объема все частицы?
Что находится в международном пространстве, где почти нет вещества?
Развитие физики последних десятилетий показало, что нашей физической пространство — вакуум — не просто геометрический объект, не пространство, в котором ничего нет, а сложная система, обладающая интерсейшми свойствами, совершенню непохожими на свойства твердых сред, жидкостей или газов; его изучение касается самых глубоких понятей, таких, как причинность, связь геометрии с материей, симметрини пространства и времени, связь симметрии с закономи сохранения…
Нельзя толкнуть, не прикасаясь
Мы знаем, что тела действуют друг на друга при соприкосновении. Бросим в воду камень — от него побежит волна и вскользнет плавающие ветки — воздействие передается от точки к точке. Звук распространется потому, что давление передается от одного объема среды к соседнему, и т. д. Если накрыть звучащий электрический звонок стеклянным колпаком и откачать воздуха, то видно, как по-прежнему молоточек ударят по колокольчику, но звук исчезает — в пустом пространстве звук не распространется. В то же время перiod колебаний мятника, помещенного под колпак, не изменяется при удалении
3
воздуха (если пренебречь тренем); значит, не изменяется и сила тяжесте.
В отличие от сил, возникалоших при распространении звука, электрические и магнитные силы, гравитация действия и в пустоте, в ней распространяется свет, поэтому мы видим Солнце и звезды.
Естественно предположить, что в пространстве больши магниты, больши заряженного или массивного тела состояние пустоты изменяется. Пространство, окружающей эти тела, находится в «напряженном» состоянии, которое описывает словами: «в пространстве имеет поле». Заряды создают электрическое поле, магнит — магнитное, массивное тело вызывает гравитационное поле. Электрическое поле действует на заряженное тело, магнитное — на магнит, поле силы тяжесте — на камень, заставляя их движаться. Изменение скорости этих тел объясняется действием поля в той области пространства, где в данной момент времени они находятся. Сила передается через пустое пространство от точки к точке с помощью полей, как через невидимую жидкость. Такой механизм передачи воздействия называется близкодействием и приятот совершенной физикой.
Но существовало и другие представления — «дальнодействие»: влияние одного тела на другое мгновенное передается на расстояние. На основе этого взгляда Ньюотон построил свою теории тяготения. Предположение о мгновенной передаче воздействия не помещало ему найти закономерности движения небесных тел, с огромной точностью совпадающее с данными наблюдений. Сейчас мы знаем, почему: небесные тела движутся со сравнительно малыми скоростями, а гравитационное взаимодействие распространяется со скоростью света и может считаться в этом случае мгновенным.
Идею дальнейтия трудно согласовать со свойством света: было известно, что свет распространяется с конечной скоростью и проходит все промежутные точки на линии светового луча. Особенно хорошо это видно, когда луч света проходит в тумане — он непрерывен. Ньюотон предположил, что светшееся тело испускает частицы, передающие свет, — корпусклы. Тогда конечность скорости не противает идее дальнейтия, но остая без обяснения волновые свойства света, доказанные опытами по интерференции и диффракции. Корпускулярная теория Ньюотона так и смогла справиться с обясением этих явлений.
Через действия с лишним лет после Ньюотона, в 1905 году, появился замечательная работа Эйштейна по квантовой природа света. Эйштейн показал, что обнаруженные экспериментально закономерности фотоэфекта (вырывние электронов из.atoma при облучении) можно объяснить, только предположив, что свет представляет собой набор частиц — фотонов, которые взаимодействуют с электронами, выбрасывают их из атомов. (О факtonах мы подробнее поговорим позже.) Представление о свете как о волне не могло обяснить главную особенность фотоэфекта — энергия вылетающего электрона не зависит от интенсивности света, а только от его частицы.
В некоторых случаях зреня Эйштейна ознакомлена в ньюотонской теории корпускул. И снова возникли вопросы, на котором не смогетить Ньюотон: как объединить оба представления — о волновой и о корпускулярной природа света? Возниквали парадокс, который был разрешен квантовой теории, доказавшей, что свет — и волна, и частица, так же как электрон — и частица; и волна! Это представление получило название «квантово-волнового дуализма».
Сейчас нам известно, что в пустоте все взаимодействия — электрическое,
Возникк важный парадокс, который был разрешен квантовой теории, доказавшей, что свет — и волна, и частица…
4
магнитное, гравитационное, ядерное — передаются от точки к точке скоростью, не превышают скорость света. Если одно тело передвинуть, должна измениться слая тяготения, действующая с его стороны на другое тело. Но если это другое тело находится дальше от первого, то пройдет заметное время, прежде чем оно получит воздействие. Где же находится возмущение, когда первое тело уже перемещалось, а второе еще не имеет сведений о его новом положении?.. На этот вопрос теория дальнействия не могла ответить, и многие физики отказались от нее еще в прошлом веке.
Для объяснения передачи воздействия на расстояние была придумана специальная среда — эфир, заполняющая все пространство между частицами вещества. Воздействие передается за счет того, что вокруг заряженных или намагниченных тел эфир деформируется, и возникает сила, действующая на другой заряженное или намагниченное тело. Деформация эфира передается последовательно — от точки к точке. Свет распространяется в нем так же, как звук в среде.
Вплоть до начала XX века физики пытались строить эфир по образу и подобию известных твердых и жидких тел, а его нужно было изучать самого по себе. Это — среда особого рода. Следствием неверного представления о природе пустоты было возникновение интереснейших парадоксов, разрешение которых приводило к созданию новых физических теорий.
Электromagнитные свойства пустоты
Джеймс Максвелл своим удивительным уравнениемми, найденными в 1865 году, объединил различные разделы физики: оптику, электричесво, магнетизм.
Начало на этом пути было положено его могуим представлением Майклом Фарадем, открывшим в 1831 году закон электromagнитной индукции. Если изменять магнитное поле, произвольношее проводное колюцо, то в проводнике возникает электрический ток — заряды в нем начают двигаться под действием образущегося в пространстве колюцого электрического поля. Итак, переменное магнитное полерождает в пустоте переменное электрическое.
Еще в 1820 году другой предшественик Максвелла Ханс Эрстед обнаружил, что ток, текущий по проводнику, создает вокруг себя колюцевое магнитное поле! Если периодически изменять направность электрического поля в проводнике, возникает переменный ток и переменное магнитное поле. Максвелл высказал генiallyную догадку о том, что не только движущся заряды создают магнитное поле, его образует и само переменное электрическое поле.
Из этих двух замечательных свойств пустоты последовательно треться, не менее важное — в пустоте распространяется электromagнитные волны. Когда влизывает переменное электрическое поле, оно образует вокруг себя, согласно Максвеллу, переменное магнитное поле, а магнитное — по закону Фарадея — создает уже в соседнем месте переменное электрическое… Так возникшее передается все дальше и дальше.
Из уравнении Максвелла следовало, что электromagнитные колабания должны распростраться со скоростью света. Существование электromagнитных волн было экспериментально доказано Генрихом Герцем в 1886—1889 годах. Естественно было прийти к заключению, что свет — тоже электromagнитная волна. Это предположение было проверено и подтверждено опитом.
Как абстрактно выглядел эти представления во времени Максвелла!
5
И как быстро они стали основой почти всех благ современной цивилизации: от телефонна и радио до современных средств космической связи — не перечислять всего того, что родилось из опытов в маленьких laboratories прошло века, из смутных договорах великих умов!
Теория Максвелла была триумфом близкодейства: все электромагнитные воздействия передаются через среду — эфир. Но тут же возникли новые противоречия.
Когда в эфире движется тело, движется ли вместе с ним эфир? Эксперименты для противоречивы результаты, некоторые опыты показали частное или полное вовлечение эфира в движение, другие — что эфир вовсе не увлекается движущимся телом. В 1851 году французский физик Арман Физо измерил скорость света в текущей воде и показал, что эфир частично захватывает движущейся средой. Американский физик Альберт Майкельсон в 1881 году измерил скорость света вдоль и поперек направления орбитального движения Земли. Если бы эфир был неподвижен, то скорость света вдоль движения Земли складывалась бы из скорости света в эфире и скорости Земли относительной эфира. Оказалось, что скорость света одна и та же, то есть она не зависит от скорости источника, и если свет действительное распространяется в эфире — значит, эфир полностью увлекается Землей…
Разрешить противоречия эфира предстояло теории относительной эфира.
Эфир умер — да здравствует эфир!
В начале XX века идея близкодейства получила дальнейшее развитие и обоснование в теории относительнойности и теории тяготения Эйнштейна. Оказалось, что не только электромагнитные, но и gravitationные воздействия распространяются в пустоте скоростью света. Скорость света вошла не только в электродинамику, но и механику, и в теории тяготения.
Противоречие между опытом Физо и опытом Майкельсона было снятой новый формулой сложения скоростей, вытекавшей из теории относительнойности, свойства эфира здесь роли не играли. Отпала необходимость в самом понятии эфира, его заменил вакуум —
Скорость света вошла не только в электродинамику, но и механику, и в теории тяготения.
Но в начале новое, как правило, неотменяет старого, старые и новые идеи переплетаются и проникают друг в друга. Далее коренная научная революция не отменяет, а только перестает, переосмыслывает прежнее, устанавливает границы применности найденных ранее соответствий. Судьба эфир — убедительное подтверждение этому.
В начале XX века казалось, что все свойства пустоты объясняются гранитнойми и электромагнитными воздействиями. Но изучение atomных ядер показало, что существуют силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, — ядерные силы. И с точки зрения близкодейства их тоже нужно рассматривать как особое, направленное состояние вакуума. Вакуум обогатился еще одним свойством.
Когда к электромагнитному полю и к полям, описывающим, например, пары частиц электрон — позитрон, протон — антипротон и так далее, применили квантовую механику, оказалось, что в пустоте проискодят непервывные колбания этих полей,рождаются и исчезают элементарные частицы… При столкновения нужной (нейтронов и протонов) из пустоты возникает цель сон различных частиц. Вакуум полон частицами! Удивительно сложную и интересную среду — вакуум — можно было бы снова назвать эфиром, если бы не возникать путаницы с наиболее понятем XIX века.
6
Квантовая механика
вакуумных полей
Без некоторых минимальных сведений о квантовой механике нельзя составить даже грубую физическую картину явлений, произходящих в вакууме. Поэтому, прежде чем говорить об удивительных свойствах вакуумных полей, нам придется отвлечься и поговорить о том, к каким результатам приводит применение квантовой механики к системе, колеблющимся около положения равновесия. Такие системы часто встречаются в физике и называются осцилляторами. Как бы ни было конкретно устроен осциллятор — будь то магнит, грузик наружке, колебательный контур, — его энергия состоит из двух слагаемых: потенциальной энергии, пропорциональной квадрату ккоторой величины, которое можно назвать «обобщенной координатой», и кинетическая, пропорциональной квадрату скорости изменения этой «координаты». Для грузика наружке «обобщенная координата» — смешение грузика от положения равновесия, для колебательного контура — заряд на обкладках конденсатора. Коэффициент пропорциональнойности в кинетической энергии определяет «обобщенную массу». Мы называем эти величины обобщенными потому, что они не зависит от реализации осциллятора — «координате», как вы видите, совсем не обязательно иметь размерность длины.
Остановим магнит — в положении равновесия его энергия минимальная: и кинетическая, и потенциальная энергия равны нулю. Так ведет себя классический осциллятор. Но вот что получилось, когда к осциллятора применили квантовую механику.
Один из важнейших принципов квантовой механики — принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году, гласит: неокоторые физические величины не могут одновременно приводить определенные значения. Именно такимими величины являются «обобщенная координата» и «обобщенный импульс» — произведение «обобщенной массы» на «обобщенную скорость». Продельвая мысленные эксперименты, Гейзенберг пришел к заключению, что чем точнее измерять коор-
Один из важнейших принципов квантовой механики — принцип неопределенности.
динату электрона, тем менее определенным становится его импульс, и наоборот. Это — принципальное ограничение, которое природа накладывает на понятия координаты и импульса.
Когда квантовая механика была применена к осцилляром, сразу стало ясно, что кинетическая и потенциальная энергия квантового осциллятора не могут одновременно равнять нулю: если бы это было так, то должны были бы одновременно быть определены и равны нулю и координата, и импульс осциллятора, а это противоречит принципу неопределенности. Квантовый осциллятор, в отличие от классического, даже в состоянии с нанизшей энергейой не покoitится. Он совершает «нулевые колебания» около положения равновесия.
Это замечательное свойство квантовых осцилляторов хорошо длясовременной физики.
Упругие колебания твердого тела, так же как и колебания струны, описываются набором осцилляторов различных частот. Если учесть, что осцилляторы должны поднять квантовой механике, то получится, что при абсолотном нуле температуры происходит нулевые упругие колебания — а участок твердого тела не неподвижны, а участвуют в «нулевых колебаниях». Это подтвердили опыты по рассеянию света в твердых телах при низких температурах.
Электромагнитные волны в пустоте тоже можно рассматривать как ре-