Почему пустота не пуста: вселенная в каждом атоме

Что физики называют пустотой

В обычной речи пустота — это место, где ничего нет. Выкачали воздух из банки — и внутри «ничего». Но в физике это слово давно означает другое, и разница между «пустотой» и «ничем» оказывается главной во всём разговоре.

В квантовой теории поля вакуумом называют состояние с наименьшей возможной энергией. Не отсутствие всего, а самое спокойное из возможных состояний физических полей: электромагнитного, электронного и других. Частиц в нём нет, но поля и законы, по которым они живут, никуда не деваются.

Главная особенность этого состояния в том, что оно не бывает совсем неподвижным. Из квантовой механики следует, что у поля нельзя одновременно точно задать и значение, и скорость его изменения. Поэтому даже в самом низком состоянии остаются колебания, которые называют нулевыми. Популярный образ «частиц, которые рождаются из ничего и тут же исчезают», — именно образ, удобная метафора для сложной математики, а не фотография происходящего. Но за этой метафорой стоят измеримые эффекты.

Атом: почти весь объём без вещества

Теперь о том, из чего состоим мы сами. В 1909 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден по предложению Эрнеста Резерфорда направляли альфа-частицы на тонкую золотую фольгу. Почти все частицы проходили насквозь, будто фольги нет. Но очень малая их доля отскакивала под большими углами, иногда почти назад. В 1911 году Резерфорд объяснил это так: почти вся масса атома собрана в крошечном ядре, а остальное пространство занимают лёгкие электроны.

Масштаб здесь трудно представить. В поперечнике ядро в десятки тысяч раз меньше самого атома. По объёму это ничтожная доля, порядка триллионной и меньше. При этом в ядре сосредоточено больше 99,9 процента массы атома: протон примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Если вообразить атом размером с большой стадион, ядро в нём окажется размером с горошину в центре поля.

Так древняя догадка получила неожиданное продолжение. Демокрит говорил: «По установлению — сладкое, по установлению — горькое… в действительности же — атомы и пустота». Это была философская интуиция, а не модель, и неделимые атомы Демокрита оказались делимыми. Но сама мысль, что видимое состоит из невидимого и почти пустого, неожиданно подтвердилась.

Почему же рука не проходит сквозь стол

Если атом почти пуст, почему мы не проваливаемся сквозь пол? Здесь важно поправить картинку из школьного учебника. Электрон — не маленький шарик, летающий по орбите вокруг ядра. Квантовая механика описывает его облаком вероятности, которое заполняет весь объём атома. «Пустота» внутри атома — это пространство без ядер, но не пространство без ничего: его пронизывают электрическое поле и само электронное облако.

Твёрдость вещества создают два механизма. Первый — электрическое отталкивание электронных оболочек соседних атомов. Второй — принцип запрета, который Вольфганг Паули сформулировал в 1925 году: два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Вместе с электрическими силами он не даёт веществу сжаться и делает его устойчивым. Когда вы кладёте ладонь на стол, вы чувствуете не касание «сплошного материала», а работу полей и законов.

Есть и ещё более удивительный факт. Массы трёх кварков, из которых состоит протон, дают лишь около одного-двух процентов его массы. Основная её часть — это энергия сильного взаимодействия, энергия движения и связи кварков и глюонов внутри протона. То, что мы ощущаем как вес и плотность, в значительной мере оказывается энергией.

Эффект Казимира: пустоту можно измерить

Вернёмся к вакууму. Если пустота обладает свойствами, их можно проверить на опыте. Самый известный пример предсказал нидерландский физик Хендрик Казимир в 1948 году. Он рассчитал, что две незаряженные металлические пластины, поставленные в вакууме очень близко друг к другу, должны притягиваться. Объяснение в простом виде такое: между пластинами помещаются не все колебания электромагнитного поля, а снаружи — все, и возникает разница давлений.

Сила эта крошечная и заметна только на расстояниях порядка микрометра и меньше. Поэтому надёжно её измерили лишь спустя полвека: в 1997 году Стив Ламоро получил результат, согласный с расчётом Казимира, в опыте со сферической линзой и пластиной. Позже измерения повторяли и уточняли другие группы.

Есть и другие свидетельства. В 1947 году Уиллис Лэмб и Роберт Ризерфорд обнаружили, что два уровня энергии в атоме водорода, которые по прежней теории должны были совпадать, немного расходятся. Этот сдвиг, названный лэмбовским, объяснила квантовая электродинамика, и в объяснении участвует взаимодействие электрона с колебаниями вакуума. За эту работу Лэмб получил Нобелевскую премию 1955 года.

И ещё один пример. В 2012 году в CERN объявили об открытии бозона Хиггса. Он подтвердил существование поля Хиггса, которое по Стандартной модели заполняет всё пространство, даже самое «пустое». Взаимодействие с этим полем даёт массу электрону и другим элементарным частицам. Пустота, в которой нет ни одной частицы, всё равно участвует в том, чтобы вещество было таким, какое оно есть.

Где наука честно говорит «не знаем»

Здесь нужна честность, иначе весь разговор превратится в рекламу чудес. Во-первых, эффект Казимира можно рассчитать и другим способом, через взаимодействие зарядов в самих пластинах, не опираясь на энергию вакуума. Физик Роберт Джаффе подробно разобрал это в 2005 году. Поэтому говорить, что эффект Казимира «доказал энергию пустоты», слишком сильно: он согласуется с квантовой картиной вакуума, но допускает и другое описание.

Во-вторых, есть загадка, которую часто называют худшим предсказанием в истории физики. Если наивно сложить энергию нулевых колебаний всех полей, получается величина, которая в часто цитируемой оценке примерно на 120 порядков больше той энергии пустого пространства, которую мы видим по ускоренному расширению Вселенной. Как устранить это расхождение, пока никто не знает. Наука здесь не ошиблась в измерениях, она пока не может свести концы теории.

Эти оговорки не отменяют главного. Физическая пустота имеет свойства, её влияние измеряют, а вещество почти целиком держится на полях и энергии. Но из этого не следует ни творение мира Богом, ни отсутствие Творца. Наука описывает, как устроено то, что есть. Вопрос, почему вообще есть что-то, а не ничто, остаётся за её пределами.

Мой вывод: невидимое держит видимое

Когда я смотрю на эту картину, меня поражает одно. Самое плотное и надёжное, что мы знаем, — камень, стол, собственная рука — почти целиком состоит из того, чего мы не видим: из полей, законов и энергии. А пустота, которую мы считали ничем, оказалась полной. Мне кажется, древние традиции чувствовали эту сложность мира задолго до приборов. В Послании к Евреям сказано: «Верою познаём, что веки устроены словом Божиим, так что из невидимого произошло видимое» (Евр 11:3). Это созвучие, а не научное доказательство, и я не выдаю его за физику.

Дальше начинается моя версия. Я верю, что мир бесконечен во всех направлениях, и в большое, и в малое. Я не знаю, есть ли предел делимости, но в этом смысле для меня в каждом атоме — целая вселенная. Если видимое держится на невидимом, то вопрос «что управляет реальностью?» для меня не праздный. Мой ответ — вера. В проверяемой части это понятно: наши убеждения направляют внимание, решения и поступки, а поступки меняют жизнь. В глубокой части это уже моя вера, доказательства у меня нет, и ответственность за неё я беру на себя: верой мы определяем нашу реальность.

Эту мысль я подробно разбираю в книге, шаг за шагом отделяя установленное наукой от того, во что верю сам.