Коробку невозможно по-настоящему опустошить. Почему? Нулевая энергия. Пауза. Видео: DVDP для журнала Quanta Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Оригинальная версия этой статьи была опубликована в журнале Quanta Magazine.
Предположим, вы хотите опустошить коробку. По-настоящему, досконально. Вы удаляете всё видимое содержимое, откачиваете все газы и — применив некоторые научно-фантастические технологии — выводите всё невидимое вещество, например, тёмную материю. Согласно квантовой механике, что останется внутри?
Это звучит как вопрос с подвохом. А в квантовой механике ответ с подвохом — это обычное дело. Мало того, что ящик по-прежнему полон энергии, так ещё и все ваши попытки его опустошить практически не уменьшили её количество.
Этот неизбежный остаток известен как энергия основного состояния, или энергия нулевой точки. Она существует в двух основных формах: одна, показанная на рисунке, связана с полями, такими как электромагнитное поле, а другая — с дискретными объектами, такими как атомы и молекулы. Можно гасить колебания поля, но нельзя полностью устранить все следы его присутствия. Атомы и молекулы сохраняют энергию, даже если их охладить до температуры, сколь угодно близкой к абсолютному нулю. В обоих случаях лежащие в основе физические принципы одинаковы.
Энергия нулевой точки характерна для любой материальной структуры или объекта, который хотя бы частично ограничен, например, атома, удерживаемого электрическими полями в молекуле. Ситуация аналогична ситуации с шаром, опустившимся на дно долины. Полная энергия шара состоит из его потенциальной энергии (связанной с положением) плюс его кинетической энергии (связанной с движением). Чтобы обнулить обе составляющие, необходимо было бы точно определить как положение, так и скорость объекта, что запрещено принципом неопределенности Гейзенберга.
То, что существование энергии нулевой точки говорит о вас на более глубоком уровне, в конечном итоге зависит от того, какую интерпретацию квантовой механики вы примете. Единственное бесспорное утверждение заключается в том, что, если вы расположите группу частиц в их низшем энергетическом состоянии и измерите их положения или скорости, вы увидите разброс значений. Несмотря на потерю энергии, частицы будут выглядеть так, как будто они колеблются. В некоторых интерпретациях квантовой механики они действительно колеблются. Но в других кажущееся движение является обманчивым пережитком классической физики, и нет интуитивного способа представить себе происходящее.
Концепция нулевой энергии была впервые предложена Максом Планком в 1911 году. После этого, как сказал Питер Милонни из Рочестерского университета, теоретик, изучающий квантовый вакуум, «я думаю, что именно Эйнштейн впервые отнесся к ней серьезно». Эйнштейн и другие исследователи использовали концепцию нулевой энергии для объяснения многочисленных явлений, включая тонкие колебания молекул и кристаллических решеток даже в их самых низких энергетических состояниях, а также неспособность жидкого гелия конденсироваться в твердое состояние при обычном давлении, даже при таких низких температурах, при которых атомы, как ожидается, должны были бы сцепиться друг с другом.
Альберт Эйнштейн и Макс Планк в Берлине в ноябре 1931 года.
Фотография: Библиотека науки, техники и технологий Линды Холл.Недавний пример был опубликован в 2025 году исследователями из Европейского центра рентгеновских лазеров на свободных электронах (European X-Ray Free Electron Laser Facility) недалеко от Гамбурга, а также из других учреждений. Они охладили иодопиридин, органическую молекулу, состоящую из 11 атомов, почти до абсолютного нуля и подвергли её воздействию лазерного импульса, чтобы разорвать атомные связи. Команда обнаружила, что движения освободившихся атомов коррелируют, указывая на то, что, несмотря на охлажденное состояние, молекула иодопиридина вибрировала. «Изначально это не было главной целью эксперимента, — сказала Ребекка Болл, физик-экспериментатор из этого центра. — В основном, это то, что мы обнаружили сами».
Пожалуй, наиболее известный эффект нулевой энергии в поле был предсказан Хендриком Казимиром в 1948 году, наблюдался в 1958 году и окончательно подтвержден в 1997 году. Две пластины из электрически незаряженного материала — которые Казимир представлял себе как параллельные металлические листы, хотя подойдут и другие формы и вещества — оказывают друг на друга силу. Казимир утверждал, что пластины будут действовать как своего рода гильотина для электромагнитного поля, отсекая длинноволновые колебания таким образом, что это исказит нулевую энергию. Согласно наиболее распространенному объяснению, в некотором смысле энергия вне пластин выше, чем энергия между пластинами, и эта разница притягивает пластины друг к другу.
Квантовые теоретики поля обычно описывают поля как совокупность осцилляторов, каждый из которых имеет свою собственную энергию нулевых колебаний. В поле бесконечное число осцилляторов, следовательно, поле должно содержать бесконечное количество энергии нулевых колебаний. Когда физики осознали это в 1930-х и 40-х годах, они сначала усомнились в теории, но вскоре смирились с бесконечностью. В физике — или, по крайней мере, в большей части физики — разница энергий действительно имеет значение, и физики, проявив осторожность, могут вычесть одну бесконечность из другой, чтобы увидеть, что останется.
Однако с гравитацией это не работает. Еще в 1946 году Вольфганг Паули понял, что бесконечное или, по крайней мере, колоссальное количество энергии нулевой точки должно создать гравитационное поле, достаточно мощное, чтобы взорвать Вселенную. «Все формы энергии обладают гравитацией, — сказал Шон Кэрролл, физик из Университета Джонса Хопкинса. — Это включает в себя энергию вакуума, поэтому ее нельзя игнорировать». Почему эта энергия остается гравитационно подавленной, до сих пор остается загадкой для физиков.
В квантовой физике энергия нулевой точки вакуума — это не просто постоянная проблема и не причина, по которой невозможно по-настоящему опустошить ящик. Вместо того чтобы быть чем-то там, где ничего не должно быть, это ничто, наполненное потенциалом стать чем угодно.
«Интересная особенность вакуума заключается в том, что в нем так или иначе представлены все поля, а следовательно, и все частицы», — сказал Милонни. Даже если в вакууме нет ни одного электрона, он все равно обладает «электронностью». Нулевая энергия вакуума — это суммарное воздействие всех возможных форм материи, включая те, которые нам еще предстоит открыть.
Источник: www.wired.com
