виртуальная частица

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию (экспоненциальное расширение пространства). Пространство растягивалось быстрее света, и квантовые дрожания вакуума — флуктуации полей, неизбежные в микромире, — превращались в настоящие частицы.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

Воздушный шар надувается, и точки на его поверхности разбегаются друг от друга. Примерно так же расширяется наша Вселенная. Математическая модель этого процесса называется пространством де Ситтера — в ней учёные изучают, как ведут себя мельчайшие «кирпичики» материи, элементарные частицы.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота. Это скорее натянутая мембрана, которая постоянно колеблется от невидимых частиц, рождающихся и исчезающих. Даже в полной темноте эта мембрана дрожит. Физики решили посмотреть, как она поведёт себя вокруг тонкой сферической скорлупы, внутри которой — обычное плоское пространство, как у нас в комнате.

Электрический заряд не похож на число, выбитое на камне. В пустоте вокруг любой заряженной частицы постоянно рождаются и исчезают пары «частица-античастица» — это похоже на пену в бокале шампанского. Пузырьки экранируют истинный заряд, и на расстоянии он кажется меньше или больше — в зависимости от того, как близко мы подошли. Этот эффект называют бегущей константой связи.

Квантовый вакуум — не мёртвая пустота, а кипящий котёл вероятностей. В некоторых теориях наша Вселенная застыла в метастабильном состоянии: как перегретая вода, она готова взорваться паром от одного толчка. Спонтанное рождение пузыря истинного вакуума — такой толчок: лавина, перекраивающая все физические законы.

Пустота не бывает абсолютно пустой. В искривлённом пространстве — например, в расширяющейся вселенной или рядом с чёрной дырой — вакуум нагревается. Это напоминает ситуацию, когда ускорение заставляет частицы появляться словно из ничего: явление, известное как тепловое излучение вакуума.

Сразу после Большого взрыва Вселенная, возможно, застряла в ложном вакууме — временном состоянии, подобном мыльной плёнке, готовой лопнуть от малейшего возмущения. Затем мог возникнуть редкий пузырь истинного вакуума, растянувший пространство в мгновение ока.

Строитель проверяет прочность арки не тем, что прокручивает в голове все возможные её формы, а тем, что слегка мысленно её сдвигает и смотрит, сколько сил при этом тратится. Примерно так устроен принцип виртуальной работы в механике. Авторы новой работы перенесли этот подход на саму геометрию пространства-времени. Они построили ковариантную структуру виртуальной работы для метрики.

Пустой стакан на столе кажется надёжным. Но если в донышке есть микротрещина, однажды он лопнет — не с грохотом, а тихо, разойдясь паутиной линий. Так и вакуум: он может быть не истинным, а ложным — временно устойчивым, но готовым перейти в более глубокое, настоящее состояние.

В микромире дальнодействующие силы — гравитация или электричество — не выключаются даже на огромных расстояниях. Поэтому любая частица тянет за собой шлейф из мягких (то есть очень низкоэнергетических) фотонов или гравитонов. Этот шлейф называют «одеждой» — без него расчёты разваливаются, появляются бесконечности.

Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.

Астрономы составляют детальные карты распределения галактик и регистрируют радиошёпот нейтрального водорода — излучение на длине волны 21 см, испускаемое атомами водорода при смене ориентации спина электрона.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

Передача энергии при фотосинтезе напоминает детскую горку: она прогибается под весом одного ребёнка, изменяя траекторию для следующего.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

Квантовое ничто — вакуум, пронизанный непрерывными флуктуациями полей, — напоминает воду в кастрюле перед закипанием. Время от времени в нём спонтанно вспухает пузырёк: только не пара, а целой вселенной. Такой пузырёк, вместо того чтобы схлопнуться, раздувается в пространство-время, запуская собственный Большой взрыв.

Представьте пространство-время как идеально гладкую поверхность озера, а квантовые частицы — как рыб, скользящих в его толще. Их движение не может не возмущать воду: математический аппарат теории требует, чтобы такая «поверхность» непрерывно дрожала, иначе вся конструкция теряет устойчивость.

Когда электрическое поле достигает чудовищной силы, пустота перестаёт быть пустой. Ещё в середине прошлого века Юлиан Швингер показал, что вакуум буквально взрывается парами частица-античастица, если поле достаточно интенсивно. Этот процесс, родственный излучению Стивена Хокинга, долгое время оставался теоретическим курьёзом.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно надуваемый шар — она раздувалась так быстро, что свет не успевал догнать собственные края. Потом этот бешеный разгон сменился спокойным расширением. Шар перестали надувать, и он начал медленно сдуваться. В момент смены режимов пустота не осталась пустой: из неё, словно из перегретого котла, выплеснулись пары частиц.

Кастрюлю с водой только что перестали мешать: воронки и водовороты постепенно успокаиваются, жидкость становится гладкой. Похожий процесс, но в квантовом мире, происходит в сверхтекучем гелии или в облаке ультрахолодных атомов. Только вместо водяных воронок там — невидимые вихревые нити, тончайшие квантовые «смерчи», пронизывающие вещество.

Горсть рисовых зёрен падает на горячую сковороду — и они запрыгали. Каждое зерно толкает соседей, вся куча шевелится без внешней руки. Это и есть активная материя: множество частиц, которые сами черпают энергию и превращают её в движение. До сих пор физики изучали такой «танец» по законам Ньютона, не вспоминая о квантовой механике.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

Молекула дейтерия — два атома тяжёлого водорода — разлетается под ударом лазера. Один электрон вырывается, оставляя после себя ион. В этот момент они ещё связаны: направление одного сразу подсказывает, куда полетел другой. Такая связь называется квантовой запутанностью.

Вакуум — не безмолвная пустота, а бурлящий котёл квантовых флуктуаций: виртуальные частицы непрерывно рождаются из «ничего» и аннигилируют за миллиардные доли секунды. Эта незримая симфония действует как постоянный ветер, прижимающий атом к стене, — словно мощный бас толкает лёгкий шарик.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота, а, согласно стандартной модели физики частиц, физическая среда, подобная туго натянутой струне, в которой непрерывно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

Снежный сугроб растёт по строгим правилам: падающие снежинки образуют микроскопические неровности, те, в свою очередь, притягивают ещё больше снега, и бугры самопроизвольно усиливаются. Эта же математика описывает рост городов, узоры на коре деревьев, рябь на воде и формирование скоплений космической пыли.

Представьте два смартфона с идентичными аккумуляторами. Один заряжается в подвале, где сигнал сети едва теплится, — и процесс идёт медленнее. Процент заряда здесь выступает стрелкой часов: по нему мы судим о течении времени. Эту наглядную логику физики перенесли в квантовый мир. Их часы — микроскопическая батарея, накапливающая энергию.

Сжатая до предела пружина ломается — так и классическая теория гравитации приводит к сингулярности, точке, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а известные законы физики теряют смысл. Квантовая механика превращает этот конец в упругий отскок.

Лазерный луч удерживает одиночный ион в вакууме, и этот ион ведёт себя как шарик, запертый между двумя лунками. Лунки — это не ямы в земле, а области, где иону энергетически выгодно находиться. В классическом мире шарик скатился бы в одну из лунок и остался там. В квантовом мире ион размазан по обеим лункам сразу и время от времени проскакивает сквозь разделяющий их барьер.

Жидкий гелий при сверхнизких температурах переходит в состояние сверхтекучести — течёт без трения, словно идеальная смазка. В этой квантовой жидкости рождаются вихри, внешне похожие на обычные водовороты в воде, но с принципиальным отличием: их угловой момент, или сила вращения, квантуется.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздувалась быстрее, чем свет успевал её пересечь. Этот стремительный рост — инфляция — растянул крошечные квантовые дрожания до размеров целых галактик. Но с какого именно состояния начинались эти дрожания?

В кювете размером с монету свет ведёт себя как вода: он собирается в единую квантовую жидкость. Когда в неё добавляют энергию, в этой жидкости сами собой закручиваются воронки — квантовые вихри. Каждый вихрь похож на крошечный водоворот, который не может исчезнуть просто так. Физики подсветили эту жидкость лазером и сделали мгновенные снимки.

Две металлические пластины в абсолютном вакууме притягиваются. Ещё Ричард Фейнман уподоблял пустоту кипящей пене: пары виртуальных частиц рождаются и аннигилируют, порождая эффект Казимира — силу притяжения между близкими поверхностями из-за квантовых флуктуаций вакуума.

В стакане с солёной водой, даже если он стоит неподвижно, постоянно что-то происходит. Крошечные частицы соли — ионы — плавают и сталкиваются, и от этого по воде пробегает рябь. Эта рябь невидимая, но она создаёт силу, которая притягивает или отталкивает предметы, оказавшиеся рядом. Раньше считалось, что эта сила действует только на очень маленьком расстоянии — как будто она быстро затухает.

Наша Вселенная, возможно, возникла из крайне нестабильного состояния, которое физики называют ложным вакуумом. Представьте стакан с водой, охлаждённой ниже точки замерзания: жидкость остаётся жидкой лишь до первой встряски, которая мгновенно запускает кристаллизацию в лёд.

Квантовая запутанность — это особое состояние, при котором частицы оказываются связанными так, что изменение одной мгновенно сказывается на другой, даже если их разделяют световые годы. Долгое время считалось, что сильное ускорение разрушает эту связь.