Все объекты во Вселенной, включая человеческое тело, состоят из атомов, которые на 99,9% представляют собой пустоту. Однако, как объясняет ведущий канала Veritasium Дерек Мюллер, эта кажущаяся «пустота» на самом деле заполнена бурлящей активностью квантовых полей. Благодаря суперкомпьютерным вычислениям физики смогли визуализировать структуру вакуума, доказав, что ничто во Вселенной не является по-настоящему пустым.
🔬 Масштабы атомной пустоты 0:00
На базовом уровне материя удивительно неплотна. Дерек Мюллер приводит наглядную аналогию для понимания структуры атома:
- Если бы атом был размером с размах ваших рук, то электроны носились бы внутри пространства, ограниченного кончиками пальцев.
- Ядро атома при этом находилось бы в самом центре, а его диаметр был бы меньше ширины человеческого волоса.
Таким образом, всё, что кажется нам твердым и осязаемым, состоит преимущественно из пустого пространства. Однако современная физика утверждает, что само это пространство — не просто «ничто».
💻 Визуализация квантового супа 0:40
Чтобы увидеть истинную природу пустоты, Дерек Мюллер демонстрирует симуляцию, созданную профессором Дереком Лейнвебером из Университета Аделаиды. Эти расчеты выполнены на суперкомпьютере в рамках квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей взаимодействие фундаментальных частиц.
Ключевые детали симуляции:
- Объект: Плотность энергии флуктуаций глюонного поля.
- Цветовая индикация: Красные пятна соответствуют местам с очень высокой плотностью энергии, которая затем затухает через спектр других цветов.
- Масштаб: Размер «коробки» на видео крошечный — миллионные доли миллиардной доли метра (этого достаточно, чтобы разместить примерно два протона).
- Скорость: Частота кадров в симуляции составляет невероятные 10 в 24-й степени кадров в секунду (миллион миллиардов миллиардов).
На видео представлен вакуум сам по себе, без присутствия протонов или другой материи. Тем не менее, пространство выглядит как «бурлящий суп» из флуктуаций квантового поля, которые появляются и исчезают с колоссальной скоростью.
⚡ Почему «ничто» стоит так дорого 1:59
Идея о том, что из пустого пространства можно что-то удалить (например, аннигилировать кварк), кажется абсурдной, но физика вакуума работает именно так. По словам Мюллера, вакуум в своем низшем энергетическом состоянии уже содержит в себе эти флуктуации.
Парадоксальные свойства вакуума:
- Энергозатратность: Чтобы полностью «очистить» пространство от флуктуаций и создать истинно пустую пустоту, потребовалось бы огромное количество энергии.
- Нестабильность: Даже если бы удалось создать абсолютно пустой вакуум, он был бы крайне нестабилен. Любое малейшее возмущение мгновенно вернуло бы его в состояние, заполненное квантовыми флуктуациями.
В качестве аналогии Дерек приводит постоянный магнит. При комнатной температуре он обладает магнитным полем, потому что магнитные моменты его атомов выстроены в линию. Чтобы «убрать» это поле, нужно нагреть магнит до точки Кюри, затратив тепловую энергию на то, чтобы частицы начали двигаться хаотично. Таким образом, устранение поля требует энергии, что делает ситуацию с квантовым вакуумом менее странной.
🏃 Кварки-путешественники и наше существование 3:33
Понимание флуктуаций вакуума позволяет осознать, как ведут себя фундаментальные частицы. Кварки (кирпичики протонов и нейтронов) предпочитают находиться в местах сгущения энергии — на тех самых «буграх», которые видны в симуляции.
Дерек Мюллер описывает движение кварков через интересную аналогию:
Кварки будто перепрыгивают с одного энергетического сгустка на другой по мере их появления. Это похоже на туриста, переходящего бурный поток: он ждет, пока из воды покажется камень, наступает на него, а затем ищет следующую точку опоры. Если двигаться достаточно быстро, можно даже не промочить ноги.
В завершение ведущий подчеркивает, что хотя мы и состоим из пустоты, само существование Вселенной и нас самих было бы невозможно без этих вакуумных флуктуаций. В качестве личной ремарки Дерек шутливо отмечает, что во время съемок или подготовки (вероятно, в ходе физического эксперимента в начале ролика) он получил чувствительный удар по губе, но, к счастью, зубы остались целы.
