Нечто из ничего: физики воссоздали рождение материи из вакуума в лаборатории

Что такое пустота? Наш разум рисует картину абсолютного ничто — пространства, лишённого материи, энергии, всего. Но для современной физики вакуум — это всё что угодно, только не пустота. Это бурлящий котёл квантовых флуктуаций, где на мгновение возникают и тут же исчезают пары виртуальных частиц. Идея о том, чтобы зачерпнуть из этого котла и превратить виртуальное в реальное, десятилетиями будоражила умы учёных.

И вот, кажется, физики из Канады нашли изящный способ подсмотреть за этим процессом, создав мини-вселенную в капле охлаждённого гелия.

Призрак Швингера: теория, которую нельзя проверить

В середине XX века физик-теоретик, нобелевский лауреат Джулиан Швингер, предположил нечто невероятное. Он рассчитал, что если воздействовать на вакуум достаточно мощным электрическим полем, то можно буквально «вскипятить» его. Энергия поля разорвёт виртуальные пары частиц (электрон и его античастицу, позитрон) прежде, чем они успеют аннигилировать, и вытолкнет их в реальный мир. Материя из ничего. Звучит как научная фантастика, не правда ли?

В этом и была главная проблема. «Достаточно мощное поле» — это мягко сказано. Речь идёт о напряжённости такого уровня, что рядом с ней разряд молнии показался бы безобидной искрой от свитера. Создать такие условия в лаборатории на Земле — задача, выходящая за пределы наших технологических возможностей. Теория Швингера оставалась красивой, но чисто умозрительной конструкцией, своего рода призраком в здании квантовой физики — все знали, что он есть, но увидеть его никто не мог.

Космическая лаборатория в капле гелия

И вот здесь на сцену выходят физики из Университета Британской Колумбии (UBC) с решением, которое можно назвать гениальным в своей простоте. Если мы не можем воссоздать условия космоса, почему бы не найти систему, которая ведёт себя похожим образом, но в гораздо более щадящих условиях?

Такой системой оказалась тонкая плёнка сверхтекучего гелия-4. При охлаждении до сверхнизких температур этот удивительный материал теряет вязкость и превращается в своего рода идеальную жидкость, текущую без трения. В своём исследовании учёные предложили элегантную аналогию:

• Квантовый вакуум заменяется плёнкой сверхтекучего гелия. В охлаждённом состоянии она сама по себе — почти идеальная «пустота».
• Колоссальное электрическое поле заменяется направленным потоком этой жидкости.
• А рождение электрон-позитронных пар превращается в спонтанное появление пар вихрь/антивихрь — крошечных водоворотов, вращающихся в противоположных направлениях.

По сути, команда под руководством доктора Филипа Стэмпа предложила не строить «звездолёт», чтобы долететь до цели, а создать её точную модель в настольном аквариуме. И эта модель оказалась на удивление богатой на открытия.

Зачем всё это? Два ответа вместо одного

На первый взгляд, это просто красивая аналогия. Она позволяет нам моделировать процессы, которые, как считается, происходят в экстремальных условиях — вблизи чёрных дыр или даже в первые мгновения после Большого взрыва. Это само по себе невероятно ценно, ведь мы получаем «окно» в те области Вселенной, куда никогда не сможем заглянуть напрямую.

Однако сами авторы подчёркивают, что истинная ценность их работы может быть даже глубже. Их модель — это не просто имитация. Это реальная физическая система со своими законами. Изучая её, мы узнаём новое не только о космосе, но и о фундаментальных свойствах материи здесь, на Земле, — о природе сверхтекучести и о том, как происходят фазовые переходы в двумерных системах.

И именно здесь исследователей ждал главный сюрприз.

Месть аналога: когда модель превосходит оригинал

Чтобы их математическая модель заработала, учёным пришлось пересмотреть одно из базовых представлений о вихрях в сверхтекучих жидкостях. Ранее считалось, что масса такого вихря — величина постоянная. Однако расчёты Стэмпа и его коллеги Майкла Дерошерса показали, что это не так: масса вихря кардинально меняется в зависимости от его движения.

Это открытие само по себе стало прорывом в физике конденсированного состояния. Но затем учёные сделали следующий шаг. А что, если это свойство — не особенность гелиевой модели, а универсальный закон? Что, если масса частиц, рождающихся в вакууме по теории Швингера, тоже не постоянна?

Получился поразительный поворот сюжета, который сами авторы назвали «местью аналога». Модель, созданная для проверки старой теории, не просто подтвердила её принципы, но и уточнила, дополнила и, по сути, улучшила её. Оказалось, что настольный эксперимент с гелием может рассказать нам о поведении частиц в вакууме больше, чем мы предполагали.

Эта работа — блестящий пример того, как устроена современная наука. Великая идея, десятилетиями считавшаяся непроверяемой, находит своё подтверждение в совершенно неожиданной области. А элегантное лабораторное решение не только открывает дорогу к изучению космоса, но и заставляет нас по-новому взглянуть на саму теорию, с которой всё начиналось. Похоже, чтобы понять, как из ничего рождается нечто, иногда достаточно просто посмотреть на мир под другим углом.