Современная наука придерживается точки зрения, что Вселенная появилась вследствие Большого взрыва. А что было до него? Этого никто не знает. Существуют теории, которые предполагают, что  была еще одна стадия развития Вселенной, которая называется инфляция. Это очень резкое расширение Вселенной, значительно более быстрое, чем наблюдается сейчас или даже в первые секунды ее зарождения. Инфляция привела к тому, что наша Вселенная появилась из некой странной сущности, явления, получившего название квантовой флуктуации. Также этот объект обозначают термином инфлатонное поле. 

Движение есть жизнь.

Вряд ли ученые когда-нибудь смогут непосредственно изучать  инфлатонное поле, но провести эксперимент в лаборатории и попытаться понять процесс инфляции, из которого Вселенная появилась, планируется в ближайшее время  на нижегородской земле. Об этом рассказал кандидат физико-математических наук и сотрудник ИПФ РАН, доцент ННГУ имени Лобачевского Артем Коржиманов на космическом лектории, организованном IТ-кампусом «Неймарк». Тема лекции была заявлена как «Квантовый вакуум: как создать вещество из света?».

Термин квантовая флуктуация поля связан с вакуумом. В представлении обывателя вакуум – это пустота. Но, если взглянуть на него через достаточно мощный микроскоп, то он выглядит как некая бурлящая среда. Мелкое подрагивание вакуумной материи получило название квантовых флуктуаций поля или квантовых (вакуумных) флуктуаций. 

Первый шаг в изучении этого явления наука сделала с открытием квантовой механики около ста лет назад. Тогда предметом интереса ученых стало устройство мира на микроуровне. Ими был установлен парадокс.  Если в обычной жизни положить шарик в чашу и отпустить, то он будет колебаться, но в конце концов придет в состояние покоя. В микромире, на уровне отдельных атомов, частиц все по-другому. Квантовая реальность такова, что если взять маленький микрошарик, электрон, атом, и «отнять» у него всю энергию, то его движение не прекратится. Сохраняется некое остаточное колебание, которое получило название квантовых флуктуаций или нулевых колебаний.  

Но причем здесь вакуум? Когда ученые начали пытаться построить более сложные модели  квантовых процессов, оказалось, что все окружающие нас частицы являются проявлениями, а говоря научным языком, возбуждениями некоего поля. Это нечто, распределенное в пространстве, то, что может колебаться. Получается, что квантовые поля заполняют собой все пространство. В любой точке, даже если нет частиц, там всегда присутствует это поле. Обычно оно находится в нулевом (в спокойном) состоянии. 

Но, поскольку квантовая физика считает, что даже при нулевой энергии движение не останавливается, то эта же логика применима и к полю, которое все заполняет. Если убрать все частицы, все возбуждения, поле не успокаивается, там будет что-то колебаться, что и получило название квантовых флуктуаций поля. 

Теория без практики мертва.

В теории все гладко. Но как доказать правильность теоретических выкладок? За это взялся американский физик Уиллис Лэмб вместе со своим аспирантом. Эксперимент, который они провели в 1947 году, Эйнштейн называл одним из самых впечатляющих. 

Чтобы узнать что-то про вакуум, в него нужно что-то поместить. Чем меньше будет этот объект, тем точнее  измерения. Уиллис взял атом водорода и исследовал его. Он представляет собой ядро, вокруг которого движется электрон. Этот электрон при воздействии на атом начинает колебаться – то чуть сильнее, то чуть слабее. Когда он возбуж­дается, а потом успокаивается, атом водорода начинает испускать свет, который можно измерить.  

Проведение этих измерений натолкнули Уиллиса Лэмба на определенные мысли: а нельзя ли в этих измерениях увидеть воздействие на электрон квантовых флуктуаций? Если электрон летает не в абсолютной пустоте, а там фиксируются  какие-то пусть  слабенькие, но подрагивания, то они должны как-то влиять на его движение?

Уже в те годы оказалось, что измерения заметно лучше сходятся с теорией, которая учитывает флуктуации, чем с теорией, их не учитывающей. Сейчас точность этих измерений намного выше – она порядка одной миллионной, то есть отличие результата экспериментального от теоретически рассчитанного меньше, чем одна десятитысячная процента (!). 

Но с другой стороны, мы понимаем, что эффект слабый, его влияние на атомы водорода, тоже слабое. И резонный вопрос, а если бы оно было сильным, возможно ли его правильно описать, понять? 

Приведем аналогию с заводом,  число работников в котором исчисляется  тысячами. Как проверить, хорошо ли мы понимаем, как работает завод. Если убрать одного человека с конвейера, то можно предположить, что в результате конвейер станет работать чуть-чуть хуже, скорость выпуска продукции замедлится. Если убрать второго работника, изменения будут еще более заметны. А что будет, если убрать половину всех работников? В этом случае просчитать изменения намного сложнее, так как нарушаются целые цепочки взаимодействия на производстве…

Одно дело уметь просчитывать малые изменения/воздействия, и совсем другое – уметь предсказывать эффект от сильных воздействий. 

«Вскипятить» вакуум.

До сих пор в арсенале ученых нет  такого способа исследовать квантовые флуктуации в режиме, когда они сильно воздействуют, ярко себя проявляют. Но есть надежда, что в ближайшие годы на вооружение физиков поступит инструмент, который позволит изучать их в ситуации, когда они определяют всю динамику системы. 

И инструмент этот называется петаваттный лазер, который для наглядности можно определить как излучатель, который светит как квадриллион обычных электрических лампочек. 

У него настолько большая мощность, что если даже суммировать возможности всех электростанций в мире, они будут на порядок меньше, чем 1 петаватт. Петаваттный лазер  сегодня – это самый эффективный концентратор энергии, который только мог придумать человек. 

Физики могут фокусировать излучение петаваттных лазеров с очень высокой эффективностью. Размер точки фокуса они  научились уменьшать вплоть до одного микрона. Плотность энергии, которая достигается при этом, в миллион раз превышает плотность энергии в центре Солнца, что открывает перед учеными огромные возможности для проведения экспериментов.  Они надеются, что такая концентрация энергии в фокусе позволит «задеть», возмутить квантовый вакуум до такой степени, что он проявит свои свойства в полную силу. 

Однако для проведения эксперимента одного лазерного пучка мало. Планируется подвести одновременно 12 пучков – шесть с одной стороны, шесть с другой – и с помощью специальных кривых зеркал свести их в одну точку, чтобы «вскипятить» вакуум. Для этого эксперимента, правда, требуются лазеры мощностью уже не один, а 50 петаватт. Реализовать проект планируется под Саровом. Целью будет изучение процесса рождения электрон-позитронных пар и квантового вакуума. 

Да будет свет!.. 

Если «чиркнуть» лазером по квантовым флуктуациям, то энергия  лазерного излучения переходит в электронно-позитронные пары. (Энергия в данном случае берется не из вакуума, а из лазерного поля). Лазерное поле – это свет. В теории квантовые флуктуации превращают свет (лазерное излучение) в вещество, в электроны и позитроны (обычные частицы), которые присутствуют в движении вокруг нас. И хотя они  будут находиться  в состоянии сверхгорячей плазмы, которую руками не потрогаешь, тем не менее, это будут вполне обычные частицы и античастицы.

На самом деле, ситуация более сложная, потому что, как только появляется первый электрончик или позитрончик,  первая пара, то  в этих сильных полях они тут же начинают излучать гамма-фотоны, гамма-кванты. Гамма-кванты очень легко снова распадаются на электронно-позитронные пары. Получается, что в абсолютном вакууме,  который мы  считаем пустотой, достаточно воздействовать светом, чтобы оттуда начало вылетать огромное количество частиц. 

Между тем.

Организация Объединенных Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий.

Кстати.

Наша Вселенная расширяется, к этому выводу ученые пришли, наблюдая за далекими звездами. Современная наука выдвигает следующую космологическую теорию:  когда-то наша Вселенная была плотной, сжатой и очень горячей. 

Подготовила Александра Махлина. Фото vk.com/neimark_it