Читать книгу Энтропийный долг - - Страница 5

Из лекции профессора Элины Закировой для студентов МЦВФ Сколково, 12 марта 2045 года Запись сохранена в архиве Международного агентства по контакту

Когда я была студенткой – а это было давно, хотя мне неприятно об этом думать – мой научный руководитель задал мне вопрос, который изменил всё.

«Элина, – сказал он, – что находится в этой комнате, если убрать из неё всё?»

Я ответила: «Ничего, Рустам Ахметович. Пустота».

Он покачал головой. «Неправильно. Попробуй ещё раз».

Я думала три дня. Потом вернулась с ответом: «Пространство. Геометрия. Координатная сетка».

«Лучше, – сказал он. – Но всё ещё неправильно».

Прошло десять лет, прежде чем я поняла, что он имел в виду. И ещё пятнадцать – прежде чем это понимание привело к вакуумным экстракторам.

Позвольте объяснить.

Классическая пустота

Начнём с того, что думали древние. Для Аристотеля пустоты не существовало вообще – природа не терпит вакуума, horror vacui. Пространство было заполнено «эфиром» – тонкой субстанцией, которая переносила свет и удерживала планеты на орбитах.

Потом пришёл Ньютон и объявил пространство абсолютным. Пустым. Сценой, на которой разыгрывается драма материи. Убери материю – останется сцена. Чистая, голая, бесконечная.

Эта картина продержалась двести лет.

А потом появился Эйнштейн и сказал: пространство – не сцена. Пространство – актёр. Оно изгибается, растягивается, участвует в действии. Гравитация – не сила, а кривизна. Масса говорит пространству, как изгибаться; пространство говорит массе, как двигаться.

Но даже Эйнштейн думал, что пустое пространство – пусто. Что если убрать всю материю и энергию, останется плоское, скучное, мёртвое ничто.

Он ошибался.

Квантовая пустота

В 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости. Вы наверняка слышали упрощённую версию: нельзя одновременно точно знать положение и импульс частицы.

Но есть другая форма этого принципа – менее известная и более странная:

Неопределённость энергии, умноженная на неопределённость времени, не может быть меньше половины постоянной Планка.

Что это значит? Это значит, что на достаточно коротких промежутках времени энергия может флуктуировать. Появляться из ничего. И исчезать обратно в ничто – при условии, что это происходит достаточно быстро.

Природа даёт кредит, – говорил мой руководитель. – Но требует немедленного возврата.

Из этого следует нечто удивительное: вакуум – не пуст. Он кипит. В каждой точке пространства, в каждое мгновение времени – появляются и исчезают так называемые виртуальные частицы. Электрон-позитронные пары, фотоны, кварки – вся таблица элементарных частиц, мерцающая на грани существования.

Они «виртуальны» не потому, что ненастоящие. Они виртуальны, потому что мы не можем их обнаружить напрямую – они существуют слишком короткое время. Но их эффекты – реальны.

Эффект Казимира

В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир предсказал странное явление.

Возьмите две металлические пластины. Поместите их очень близко друг к другу – на расстояние в несколько нанометров. Что произойдёт?

Интуиция подсказывает: ничего. Пустота между пластинами – пуста. Откуда взяться силе?

Но Казимир показал: сила будет. Пластины притянутся друг к другу.

Почему? Потому что вакуум между пластинами – не такой, как вакуум снаружи.

Виртуальные фотоны, которые постоянно появляются и исчезают в пустоте, имеют разные длины волн. Снаружи пластин – могут существовать любые длины волн. Но между пластинами – только те, которые «помещаются». Длина волны должна быть кратна расстоянию между пластинами.

Результат: между пластинами меньше виртуальных фотонов, чем снаружи. Давление вакуума снаружи больше, чем внутри. Пластины сдавливаются.

Это не теория. Это экспериментальный факт, измеренный с высокой точностью. Вакуум давит. Пустота имеет вес.

Когда пустота давит на вас, – шутил мой руководитель, – это не экзистенциальный кризис. Это физика.

Энергия вакуума

Теперь – главный вопрос. Если вакуум не пуст, если он заполнен флуктуациями, то сколько в нём энергии?

Ответ зависит от того, как считать. И здесь начинаются проблемы.

Наивный расчёт даёт бесконечность. Складываем энергию всех возможных мод колебаний вакуума – и получаем бесконечную сумму. Это, очевидно, неправильно.

Стандартный трюк – обрезать сумму на планковской длине, минимальном масштабе, где наша физика ещё имеет смысл. Это даёт конечное число:

~10⁹³ грамм на кубический сантиметр

Или, в более привычных единицах:

~10¹¹³ джоулей на кубический метр

Для сравнения: вся энергия, которую Солнце выбросит за время своего существования – около 10⁴⁴ джоулей. В одном кубическом метре вакуума – энергия квинтиллионов квинтиллионов солнц.

Это число настолько абсурдно, что большинство физиков просто игнорируют его. «Космологическая постоянная» – проблема, которую мы обсуждаем на конференциях и откладываем на потом.

Но что если это число – не ошибка? Что если энергия действительно там?

Вакуумные экстракторы: принцип

Идея вакуумных экстракторов родилась из простого вопроса: можно ли превратить виртуальные частицы в реальные?

Обычно – нет. Виртуальные частицы существуют в долг, и природа требует немедленного возврата. Электрон и позитрон появляются – и тут же аннигилируют. Фотон вспыхивает – и тут же гаснет.

Но что если создать условия, при которых возврат невозможен?

Эффект Казимира показал: геометрия влияет на вакуум. Пластины создают «запрещённые зоны» для определённых мод. Что если пойти дальше? Создать конфигурацию, которая не просто ограничивает моды, а направляет их?

Вакуумный экстрактор – это, по сути, асимметричный резонатор Казимира. Сложная геометрия метаматериалов, создающая градиент «запрещённых зон». Виртуальные частицы, появляющиеся в одной области, не могут аннигилировать в другой – потому что там нет соответствующих партнёров.

Результат: часть виртуальных частиц становится реальными. Энергия вакуума – извлекается.

Это упрощение, конечно. Реальная математика занимает триста страниц. Но принцип – именно такой.

Почему это казалось безопасным

Когда мы разрабатывали теорию, мы задавали себе очевидный вопрос: откуда берётся энергия?

Ответ казался простым: из вакуумных флуктуаций. Мы не создаём энергию – мы собираем её. Как солнечная панель собирает свет, который и так был бы излучён.

Мы даже рассчитали скорость «восстановления». Вакуум должен был восполнять изъятое за микросекунды. Бесконечный резервуар, который невозможно исчерпать.

Мы ошибались.

Не в расчётах – расчёты были верны в рамках нашей модели. Мы ошибались в модели. Мы думали, что вакуум – фундамент. Что под ним – ничего.

Оказалось, под фундаментом – ещё один фундамент. Субстрат. Структура, которая поддерживает сами физические константы.

И мы черпали энергию не из бесконечного резервуара. Мы черпали её из несущих конструкций здания, в котором жили.

Остаток в уравнениях

Я заметила его в 2043-м. Крошечное расхождение между теоретической энергией извлечения и реальной. Меньше процента. Меньше десятой доли процента.

Любой другой списал бы это на погрешность измерений. Я – не списала.

Потому что остаток рос. Медленно, почти незаметно – но рос. Как будто что-то накапливалось. Как будто мы не просто собирали энергию – а брали её взаймы.

Физика не терпит необъяснённого, – говорил мой руководитель. – Если число не сходится – значит, ты чего-то не знаешь.

Я не знала главного: вакуум – не фундамент. Вакуум – крыша. А мы сверлили в ней дыры.

Что я хотела бы сказать себе тогда

Если бы я могла вернуться в 2045-й, на эту лекцию, я бы добавила одно предупреждение:

Когда вы достигаете бесконечной энергии – остановитесь и подумайте. Бесконечность в физике – почти всегда сигнал: вы что-то упускаете. Что-то важное. Что-то, что изменит всё.

Но я не могу вернуться. И поэтому говорю вам сейчас: будьте осторожны с пустотой. Она не так пуста, как кажется.

И у неё есть владельцы.

Конец записи