Вселенная – это пространство, где кипит жизнь материи и энергии. Даже в тех уголках космоса, где, казалось бы, царит пустота, находится по одному атому водорода на кубический метр. Не упоминая о сотнях частиц и потоках электромагнитного излучения, которые стремительно мчатся из звезд, галактик и погружаются в черные дыры. И еще, в пространстве есть излучение, оставшееся еще с моментов Большого Взрыва. А можно ли встретить в космосе место, где абсолютно ничего нет? Это не просто философский вопрос.
Пустые пространства, или вакуумы, необычайно полезны и важны. Например, в домашних условиях пылесосы функционируют, создавая вакуум с помощью вентилятора, в результате чего материя втягивается внутрь устройства. Однако даже в таком "пустом" пространстве множество частиц продолжают своё существование. Для более сложных задач, производители используют специализированные вакуумы. Так, продукты упакованные в вакууме остаются свежими намного дольше, а вакуум в лампочках предохраняет их вольфрамовые нити от преждевременного износа. Создание подобного вакуума возможно с помощью мощных насосов, способных высасывать максимальное количество атомов и частиц.
Даже ведущие промышленные технологии не способны создать идеальную пустоту, оставляя в пространстве сотни миллионов атомов на каждый кубический сантиметр. Это не удовлетворяет потребности ученых, работающих над экспериментами такого масштаба, как Большой адронный коллайдер. В его экспериментах пучки частиц движутся с почти световой скоростью до десяти часов подряд, и им не должно мешать ни одно "лишнее" атомное столкновение.
Итак, как создается вакуум? Трубы коллайдера сделаны из материалов, таких как нержавеющая сталь, не отделяющих своих молекул в пространство, а также имеют специальное покрытие для абсорбции газов. Процесс подогрева до 200 градусов Цельсия помогает избавиться от влаги, а сотни вакуумных насосов в течение двух недель выкачивают газы и прочие частицы из труб, обеспечивая условия для проведения весьма чувствительных экспериментов в коллайдере. Но даже с таким уровнем точности и тщательности, создать идеальный вакуум в Большом адронном коллайдере все равно не удается.
В самых "пустых" уголках Вселенной присутствует около 100 000 частиц на кубический сантиметр. Представим, что у нас получилось удалить каждый атом в определенном пространстве. Но даже в таком случае, вокруг нас останется колоссальное количество излучения. К примеру, каждую секунду через каждого из нас проходят 50 мюонов от космических лучей, 10 миллионов нейтрино, которые "родились" во времена Большого Взрыва, 30 миллионов фотонов, исходящих от космического микроволнового фона, и астрономическое число — 300 триллионов нейтрино, прилетевших прямо от Солнца. Чтобы защитить вакуумные камеры, их можно облучать веществами, например, водой, которые способны поглощать и отражать излучение (но не нейтрино). Предположим, у нас получается изолировать пространство от атомов и излучения — станет ли оно полностью пустым тогда?
На самом деле, полной пустоты не существует. Вся Вселенная пропитана квантовыми полями. Те частицы, что мы привыкли считать субатомными (электроны, фотоны и прочие), на самом деле представляют собой лишь вибрации в квантовой "ткани", окутывающей всю Вселенную. Благодаря закону, известному как принцип Гейзенберга, эти поля вечно колеблются, создавая так называемые вакуумные колебания, даже если в пространстве нет частиц. Это значит, что квантовые поля обладают энергией, причем внушительной.
Согласно уравнениям Эйнштейна, масса и энергия — это две стороны одной медали, и потому каждый кубический метр пространства несет в себе энергию, эквивалентную массе четырех протонов. Таким образом, даже "пустота" в вакууме имеет некоторый вес. Квантовые колебания сопутствовали Вселенной с самого ее зарождения, усиливаясь и расширяясь в первые мгновения после Большого Взрыва.
По мнению космологов, первоначальные квантовые колебания являются истоком всего, что мы можем наблюдать в наши дни, начиная от галактик и заканчивая планетами и солнечными системами. Эти колебания также являются ключом к одной из величайших научных загадок современности. По некоторым теориям, энергия квантовых колебаний в вакууме пространства должна быть на 120 порядков выше, чем та, что мы фиксируем сегодня. Разгадка тайны пропавшей энергии способна кардинально изменить наше видение физики и природы самой Вселенной.
Если вам понравилось, подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации, обогащающие космический кругозор. Не забудьте оставить свой лайк под статьей и поделиться ей с друзьями — пусть и они окунутся в мир квантовых загадок вместе с нами! Благодарим за внимание, до новых встреч в просторах знаний!