В предыдущем посте я говорил о том, что для объяснения эффекта Казимира могут быть более обычные объяснения, которые не опираются на энергию вакуума. Я намекнул в этом посте, что другие явления, которые якобы приписываются энергии вакуума, также могут иметь альтернативные объяснения. В этом посте я подробнее объясняю, почему, спустя 100 лет, возможно, пора покончить с идеей энергии вакуума.
Энергия вакуума десятилетиями считалась обещанием безграничной энергии, скрытой под поверхностью реальности. Было подано множество патентов на энергию нулевой точки, делающих дикие технологические утверждения, что эта энергия может быть доступна человечеству. Некоторые стартапы даже утверждают, что могут успешно сделать это.
Но почему считают, что эта энергия вообще существует?
Все дело в квантовом основном состоянии. В классической физике основное состояние объекта — это просто энергия, которую он имеет, когда он не может потерять больше энергии. Пружина, которая ни растянута, ни сжата, груз, лежащий на земле, все имеют нулевую энергию.
Однако квантовая пружина, также называемая квантовым гармоническим осциллятором, не имеет нулевого основного состояния. Вместо этого, если вы рассчитаете наименьшую энергию, которую она может иметь, это будет положительное число.
Это кажется подразумевающим, что любая квантовая система, независимо от её состояния, имеет энергию. На самом деле, это отсутствие нулевого основного состояния вызывает проблемы в квантовой физике, потому что это означает, что ничто не имеет ненулевую энергию, а поскольку существует бесконечное количество ничего, должно быть бесконечное количество энергии. Поэтому физики, чтобы получить разумные результаты для квантовых полей, должны были изобрести способ снизить основное состояние до нуля. Это называется нормальным порядком.
Это подводит нас к вопросу, является ли это ненулевое основное состояние реальной вещью или просто побочным продуктом того, как мы превращаем классические теории в квантовые теории, процесс, называемый квантованием.
Квантовая теория поля, которая является лучшей теорией о том, как материя работает во Вселенной, предполагает, что все частицы материи являются возбуждениями полей. Эти поля пронизывают Вселенную, и материя взаимодействует с этими полями различными способами. Всё это, конечно, хорошо. Мы не ставим под сомнение существование этих полей. Вопрос в том, имеет ли поле в основном состоянии какое-либо измеримое воздействие на материю.
Первый эффект, на который люди сразу же указывают, — это эффект Казимира. Когда две металлические пластины приближаются друг к другу в вакууме, существует измеримая сила, стремящаяся закрыть этот зазор. Объяснение, которое давалось десятилетиями, заключается в том, что пластины отсекают вакуумные флуктуации с длинами волн больше, чем зазор. Поскольку плотность флуктуаций внутри зазора ниже, чем снаружи, существует измеримое давление от энергии вакуума, толкающее пластины друг к другу.
Это объяснение, в лучшем случае, является карикатурой, а в худшем случае — вводит в заблуждение. Эффект Казимира ведёт себя по-разному в зависимости от того, что вы сближаете. Например, пластина и крошечная сфера будут испытывать либо притягивающие, либо отталкивающие силы в зависимости от того, насколько они близки друг к другу. Это означает, что наносфера может левитировать над пластиной на расстоянии нескольких сотен нанометров. Это очень хорошо, если вы хотите создать поверхность без трения, но это не имеет никакого отношения к отсечению длин волн вакуумных флуктуаций.
Вместо этого это связано с силами между атомами при учёте квантовых эффектов. Каждый атом окружён облаком электронов, которое является как бы квантовым полем вероятности для положения электронов. Эти облака электронов отталкивают друг друга. Таким образом, два сближённых атома должны отталкиваться друг от друга, если только их не заставляют настолько сблизиться, что начинает действовать сильное взаимодействие, и их ядра сливаются. Это происходит только при очень высоких температурах, когда электроны отрываются от атомов в состоянии, называемом плазмой, как в Солнце.
Однако облака электронов не являются идеально сферическими. Они имеют форму. Если электроны смещены определённым образом, атомы могут притягиваться или отталкиваться друг от друга. Так образуются многие молекулярные связи.
В больших скоплениях молекул, которые относительно далеко друг от друга (более одного нанометра), эта сила, называемая силой Ван-дер-Ваальса, становится чрезвычайно слабой из-за релятивистских эффектов. По сути, силы должны пересекать зазор между двумя материалами (например, металлическими пластинами). Сила взаимодействия теряет силу из-за конечной скорости света, что приводит к тому, что действие и реакция между материалами оказываются несинхронизированными. Это означает, что они не имеют силы молекулярных связей. Вместо этого существует слабая сила между ними, которая может быть притягивающей или отталкивающей в зависимости от расстояния и формы объектов. Тем не менее, энергия вакуума здесь не участвует. Это просто массовое взаимодействие молекул.
Два других эффекта приписываются энергии вакуума. Хотя ни один из них не был наблюдён, оба предсказаны известными принципами физики. Это излучение Хокинга и эффект Унру.
Излучение Хокинга — это предсказание, что чёрные дыры излучают радиацию, то есть они не полностью чёрные. Стивен Хокинг предсказал это как результат взаимодействия чёрной дыры с полями в квантовом вакууме, но опять же, нам не нужна энергия вакуума, чтобы это объяснить.
Представьте, что у нас есть чувствительный детектор излучения Хокинга, вращающийся вокруг чёрной дыры. Детектор находится в состоянии свободного падения, то есть на него не действуют гравитационные силы.
Когда он вращается, он обнаруживает фотоны, испускаемые с горизонта событий, которые кажутся излучением Хокинга. Следовательно, можно представить контрфактический мир, где детектор не существует, а радиация излучается. Откуда же исходит это излучение? Ну, наверняка, оно должно исходить из вакуума за горизонтом событий, потому что ничто не может покинуть чёрную дыру.
Вопрос кажется закрытым, и так оно и есть для большинства теоретиков, включая Хокинга, но есть другое толкование.
Предположим, я позволяю другому своему детектору на орбите разрушиться, чтобы он начал падать в чёрную дыру. Он заметит, что излучение Хокинга, которое он получает, становится всё более красным по мере падения, пока в момент пересечения горизонта событий излучение Хокинга полностью не исчезает. Если бы излучение Хокинга просто было случаем туннелирования частиц через горизонт, то я бы обнаруживал его повсюду одинаково, но это не так.
Это помогает объяснить, откуда исходит радиация. С точки зрения горизонта событий, радиации нет вообще, но с точки зрения тела на орбите она есть. Это связано с тем, как пространство-время искривлено по-разному на горизонте событий и дальше на орбите. На горизонте событий оно так искривлено, что свет не может покинуть его, тогда как выше свет может и тела могут вращаться. Это различие в искривлении указывает на различие в локальной системе отсчёта. Сравните детектор, падающий на орбиту, и часы идут с разной скоростью, длины (в радиальном направлении) разные и так далее.
Таким образом, излучение Хокинга не согласуется с одной системы отсчёта на другую, и это потому, что то, как мы определяем квантовый "вакуум", не согласуется между системами отсчёта. "Вакуум" на горизонте событий выглядит как ванна с тепловой радиацией, исходящей из чёрной дыры, для далёкого наблюдателя.
Действительно, уравнения Максвелла, управляющие электромагнетизмом, включая фотонное излучение, и определение частиц согласуются только в плоских инерциальных (неускоренных) пространствах. В противном случае, что составляет ванну из частиц или излучения и что составляет вакуум, зависит от наблюдателя.
То же самое касается излучения Унру. Это излучение, которое излучает горизонт Риндлера с точки зрения постоянно ускоряющегося тела, например, ракеты.
Что такое горизонт Риндлера?
Это горизонт, через который световой луч не может пересечь и догнать ракету.
Причина этого, возможно, лучше всего объясняется замедлением времени, особенностью специальной теории относительности. По мере ускорения ракеты те, кто на ракете, кажутся замедляющимися для тех, кто на Земле. Между тем, те, кто на Земле, также кажутся замедляющимися. Поскольку ракета ускоряется, скорость замедления увеличивается.
Сигнал находится за горизонтом Риндлера, если он был произведён на Земле таким образом, что он всегда будет в будущем с точки зрения тех, кто на ракете, наблюдающих Землю благодаря этому замедлению. Для тех, кто на ракете, время на Земле будет постоянно приближаться ко времени, когда сигнал был излучён, всё медленнее и медленнее, но никогда его не достигнет.
Другими словами, событие никогда не будет наблюдаться теми, кто на ракете.
Это означает, что свет постоянно преследует ракету, и с точки зрения тех, кто на ракете, он никогда не приближается.
Одной из захватывающих вещей о горизонтах Риндлера является то, что они имеют все те же особенности, что и горизонты событий. Например, они кажутся излучающими радиацию, как излучение Хокинга. Это также приписывалось энергии вакуума, но опять же, нам это не нужно.
Вместо этого нам просто нужно понять, что понятие "радиация" не одинаково во всех системах движения. Хотя с точки зрения человека на ракете радиация исходит от горизонта, с точки зрения человека на Земле (или любого в неускоренной системе) это выглядит так, будто детектор излучает эту радиацию. Этот тип радиации называется радиацией Лармора и хорошо известен.
Излучение радиации Лармора вызывает сопротивление ракеты, что означает, что она получает энергию от классического источника, механизма пропульсии, который вызывает ускорение ракеты. Здесь тоже не нужна энергия нулевой точки.
Если у любого явления, приписываемого энергии вакуума, есть другой источник, вполне возможно, что энергия вакуума не существует. В этом случае все попытки использовать её напрасны.
