Мы привыкли считать, что атомы, из которых состоим мы и все окружающие нас предметы, — это преимущественно пустота. Однако, как утверждает Дерек Мюллер в видео на канале Veritasium, наше представление о «пустом пространстве» фундаментально ошибочно: на квантовом уровне вакуум представляет собой бурлящую энергию, без которой наше существование было бы невозможным.
🌌 Иллюзия пустоты 0:00
На макроуровне атомы действительно кажутся почти полностью пустыми. Если представить атом в масштабе размаха человеческих рук, то электроны будут перемещаться в пространстве внутри объема, ограниченного кончиками пальцев, а ядро — крошечная точка в центре — по размеру окажется меньше толщины человеческого волоса.
Однако Дерек Мюллер подчеркивает: то, что мы называем «пустым пространством» или вакуумом, на самом деле вовсе не пусто. Для наглядности он обращается к симуляции профессора Дерека Линевебера из Университета Аделаиды, созданной с помощью суперкомпьютера для расчетов квантовой хромодинамики.
🌀 Квантовый «суп» из полей 0:54
Квантовая хромодинамика изучает кварки — фундаментальные строительные блоки протонов и нейтронов — и то, как они взаимодействуют посредством глюонов. Симуляция, демонстрируемая в видео, визуализирует плотность энергии флуктуаций глюонного поля:
- Цветовая индикация: Красные пятна соответствуют областям с очень высокой плотностью энергии, которая постепенно убывает в других зонах.
- Динамика: Наблюдаемая картина — это «кипящий суп» квантовых флуктуаций, которые возникают и исчезают с невероятной скоростью.
- Масштаб: Частота кадров в данной симуляции составляет 1 миллион миллиардов миллиардов кадров в секунду, а размеры моделируемой области ничтожны — миллионные доли миллиардной части метра.
Важно отметить, что в этой симуляции вакуума нет ни одного протона, однако пространство оказывается буквально наполнено флуктуациями кварк-глюонного поля.
⚡ Энергетика вакуума 1:59
Мюллер отмечает кажущуюся парадоксальность ситуации: если вакуум не пуст, то теоретически из него можно «извлечь» или аннигилировать кварк, что звучит контринтуитивно для обыденного сознания.
- Стоимость пустоты: Согласно квантовой теории, создание «по-настоящему пустого» вакуума потребовало бы колоссальных затрат энергии.
- Нестабильность: Даже если бы удалось создать идеально пустой вакуум, он оказался бы нестабильным: любое возмущение немедленно вернуло бы его в состояние, наполненное квантовыми флуктуациями.
В качестве аналогии Дерек Мюллер предлагает рассмотреть постоянный магнит. При комнатной температуре он обладает магнитным полем, так как магнитные моменты атомов выстроены упорядоченно. Если нагреть магнит до определенной точки (температуры Кюри), частицы начнут двигаться хаотично, и общее поле исчезнет. По словам автора, избавление от постоянного магнитного поля требует энергии, и процесс с квантовым вакуумом работает схожим образом.
👣 Кварки и их «путешествия» 3:33
Понимание того, как работают квантовые флуктуации, проливает свет на поведение фундаментальных частиц. Например, кварки предпочитают «сидеть» на тех самых энергетических сгустках (флуктуациях), которые постоянно возникают и исчезают.
Дерек Мюллер предлагает аналогию: кварки перемещаются подобно туристу, переходящему горный поток по камням. Камни — это флуктуации поля; они появляются на мгновение, и если переходить с одного на другой достаточно быстро, можно преодолеть поток, не промочив ноги.
В завершение автор резюмирует, что, несмотря на пустоту внутри атомов, именно эти вакуумные флуктуации являются фундаментальной основой нашего существования.
