Физика

Когда мы слышим слово "пустота", большинство представляет себе абсолютное ничто. Но физики знают, что пустота — это вовсе не так скучно, как кажется! Добро пожаловать в мир квантовых флуктуаций, где даже ничто умудряется что-то создавать.

Что такое квантовые флуктуации?

Квантовые флуктуации — это крошечные изменения энергии, которые происходят даже в самых "пустых" местах. Почему? Потому что согласно квантовой теории поля, вакуум — это не просто пустое пространство, а бурлящий океан виртуальных частиц, которые появляются и исчезают, нарушая покой абсолютного ничто.

Пример из жизни (почти)

Представьте, что вы в тишине слушаете комнату. Абсолютной тишины не будет: где-то поскрипывает пол, где-то шумит холодильник. Так и с вакуумом: он не может быть абсолютно "тихим", потому что законы квантовой физики не дают ему покоя.

Откуда берутся частицы?

В квантовой физике действует принцип неопределённости Гейзенберга, который говорит: если мы пытаемся измерить энергию в очень короткий промежуток времени, то эта энергия становится "размытой". И это "размытие" позволяет виртуальным частицам появляться буквально из ничего, но ненадолго.

Виртуальные частицы — это как гости на вечеринке, которые пришли, съели ваш чипс и ушли так быстро, что вы даже не успели понять, кто это был.

Но! Если у этих частиц есть достаточно энергии, чтобы остаться, они могут стать настоящими.

Пример: создание пары электрон-позитрон

Допустим, у вас есть достаточно мощный лазер. Его энергия может "вытянуть" из вакуума пару электрон-позитрон (античастица электрона). Это явление называется производством пар. Выглядит как магия, но это уже подтверждено экспериментами.

А можно попроще?

Представьте поле как мягкий матрас. Даже если на него никто не ложится, он слегка пружинит и двигается. Эти "движения" и есть квантовые флуктуации. Иногда они достаточно сильные, чтобы что-то "родилось".

Почему это важно?

Квантовые флуктуации — это ключ к пониманию многих загадок Вселенной:

— Почему в космосе есть что-то, а не ничто? (Возможно, наше существование обязано флуктуациям ранней Вселенной!)

— Чёрные дыры и Хокинговское излучение. Они могут медленно терять массу благодаря квантовым флуктуациям на их границе.

— Тёмная энергия. Может быть, это результат флуктуаций самого вакуума.

Литература:

Если хочется больше деталей, вот несколько хороших источников:

— Ричард Фейнман. "КЭД: Странная теория света и вещества". — великолепная книга о квантовой электродинамике.

— Джим Бэгготт. "Квантовая пустота". — простое объяснение сложных вещей.

— Brian Greene. "The Fabric of the Cosmos". — для тех, кто любит читать на английском.

В начале 70-х годов прошлого века английские ученые решили исследовать жизнеспособность идеи использования энергии термоядерного синтеза для межзвездных космических путешествий. Так родился проект «Дедал».

Сердцем «Дедала» являлся термоядерный импульсный двигатель. Впрыскиваемое на высокой скорости термоядерное топливо должно было подаваться в реакционную камеру в виде крошечных гранул дейтерия/гелия-3 и воспламеняться под действием пучков высокоэнергетических электронов. В принципе, это не слишком сильно отличается от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Энергия от реакции термоядерного синтеза, возникающая в реакционной камере «Дедала», должна была через магнитные сопла придавать импульс космическому аппарату, подобно газовой струе ракетного двигателя.

«Дедал» должен был представлять собой двухступенчатый космический корабль: первая ступень была рассчитана на загрузку 46 000 тонн топлива, а вторая – 4 000 тонн. В конце почти четырехлетней фазы ускорения космический корабль должен был достигнуть своей максимальной скорости, составляющей 12,2 процента скорости света, а это означает, что для достижения ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра, находящейся на расстоянии 4,24 световых года, миссии «Дедал» потребовалось бы 36 лет.

Одним из новшеств «Дедала» являлось использование гелия-3. Гелий-3 – одно из самых трудновоспламеняемых видов термоядерного топлива, но его энерговыделение является одним из самых высоких. На Земле гелий-3 встречается крайне редко, но на поверхности Луны его достаточно много, не говоря уже об атмосферах газовых гигантов.

Несмотря на трудности в осуществлении проекта «Дедал», он все же является привлекательным, так как находится в рамках обычной науки и не требуют применения новых физических принципов. Само по себе это не означает, что его будет легко осуществить, поскольку технические и экономические затраты ошеломляют. Корабль настолько огромен, что строить его пришлось бы в открытом космосе.

Из канала Глубины космоса

Я тут написал один пост – «Подводные камни фантастики». Он конечно несколько провокационный и заслуживает определенной критики. Но одна тема в критике меня всё-таки зацепила, и я не могу не ответить на неё чуть более развернуто. Эта тема связана с нарушением законов сохранения в квантовых случаях.

Я утверждал, что законы сохранения: закон сохранения энергии и закон сохранения импульса – незыблемы. Они никогда не нарушаются. Мне же возражают, что в случаях на уровне атомов или элементарных частиц такие нарушения имеют место быть и что квантовая физика или электродинамика это допускают и объясняют.

Не ставя под сомнение никакие результаты экспериментов хочу заметить, что ничего эти науки не объясняют. Все эти квантовые дисциплины – это, своего рода, костыли в науке. (Ну вот, и «кванты» обгадил! ) ) Да, они научились в ряде случаев, возможно даже большинства случаев, предсказывать результат. Но это исключительно вероятностные модели. Они ничего не объясняют, а только предсказывают и то, только с некоторой вероятностью. Они не объясняют почему так происходит. Они никак не объясняют природу и дуализм материи. Волновые там только функции вероятности. По сути, это некий уровень математической абстракции для получения предварительных расчетов, близких к реальным. Одна только перенормировка чего стоит. Таких абстракций полно в теории физики. Начиная от уравнений Максвелла или формул волновой оптики. Получаем математический результат, но природа явления остается не раскрытой. Даже в научной среде встречаются люди искренне этого не понимающие и считающие, что свет отражается от поверхности. Достаточно взглянуть на эту поверхность в сколь-нибудь приличный мелкоскоп, и вы увидите, что граница раздела сред – понятие очень и очень условное, а на уровне фотона её вообще нет. Это сказано нисколько не в упрек квантовым наукам. Ведь это были научные прорывы. Их используют за неимением более продвинутых теорий. А своим несовершенством они только наводят смуту в умах людей. Реальные частицы ни под какими потенциальными барьерами не проходят – это только недостатки данных теоретических абстракций.

Вы никогда не задумывались о том, почему не существует такой науки как Теоретическая химия? Безумно нужная наука. Заранее рассчитать любой материал с наперёд заданными свойствами и предсказать все необходимые для его получения реакции и катализаторы. Это был бы такой прорыв и в науке, и в жизни – не описать. Но нет, существующая наука Химия – наука сугубо эмпирическая, где больше доверяют опыту и научной интуиции исследователей, а не теории, и свои знания получают только опытным путем. Разве что периодическая система элементов привязана к свойствам атомов, да валентность пытаются привязать к трехмерной структуре электронных слоёв атомов. Вот и вся теория.

Дело в том, что именно на этом уровне происходит переход от уровня атома, то есть квантового уровня, до уровня молекулы, то есть нашего макроуровня. И существующие науки: квантовая механика, физика, электродинамика – никак с существующей наукой Химией не стыкуются, ничего не объясняют и не привносят никакие закономерности. Есть, конечно, такие специализации как химическая физика, возможно даже физическая химия, но это всё не про теорию.

Квантовые эффекты и переходы наблюдаются в основном либо на микро (точнее, нано- или пико-) уровнях, либо на макроуровнях, но почти при абсолютном нуле, когда энергия квантового взаимодействия превосходит тепловую энергию движения атомов – эффекты сверхтекучести или сверхпроводимости. В любом случае, эффективные радиусы таких взаимодействий крайне малы и сказать что-либо вразумительное, что там происходит, невозможно.

Существующая теория допускает в таких реакциях нарушения законов сохранения, но это ещё не значит, что так и есть в реальности. Я бы не рискнул так утверждать. Это может говорить и о несовершенстве теорий. Мы ведь ещё ничего не знаем о природе пространства, о структуре пространства, о мерности пространства на уровне атомов и элементарных частиц. Возможно существуют какие-то события, которые мы не можем наблюдать в трехмерном пространстве. Мы ничего не знаем о природе времени. О взаимодействии с Антивселенной и её существовании. Ведь если есть антиматерия, то возможно, в принципе, и существование Антивселенной. И удалена она от нас может быть не в пространстве, а во времени. Ведь квантовая электродинамика допускает рассмотрение античастиц как обычных частиц, но движущихся обратно во времени. Но это так – лирическое отступление.

В сухом остатке мы имеем наш макроуровень, в котором никто нарушений законов сохранения не наблюдал. Все нарушения регистрируются только в области несколько спорных знаний. Не стоит на них сильно закладываться. Это я и хотел подчеркнуть. В любой момент может появиться теория, которая всё перевернет с головы на ноги.