Нечто из ничего: физики воссоздали рождение материи из вакуума в лаборатории
Почему эффект Швингера перестал быть теорией: как капля гелия заменила ускоритель
Вакуум — это не пустота. Это кипящий котёл, где на микросекунды возникают и исчезают пары частиц. Идея «зачерпнуть» оттуда реальную материю десятилетиями казалась фантастикой. Но физики из Канады сделали то, что раньше считали невозможным: они создали лабораторную модель этого процесса — в капле сверхтекучего гелия. И результаты оказались гораздо интереснее, чем ожидалось.
Эффект Швингера: красивая задача, которую никто не мог решить
В середине XX века нобелевский лауреат Джулиан Швингер рассчитал: если приложить к вакууму колоссальное электрическое поле, виртуальные пары электрон-позитрон «разорвутся» до того, как аннигилируют. Материя родится из ничего. Но проблема в том, что для этого нужно поле в миллиарды вольт на метр. Молния по сравнению с ним — искра от свитера. Создать такие условия на Земле невозможно. Теория Швингера оставалась красивым, но чисто умозрительным предсказанием.
«Мы не можем построить ускоритель размером с Галактику. Но мы можем найти другую систему, которая ведёт себя так же — при комнатной температуре и на столе».
Как капля гелия стала «мини-вселенной»
Команда из Университета Британской Колумбии (руководитель — Филип Стэмп) пошла обходным путём. Вместо того чтобы пытаться «вскипятить» настоящий вакуум, они построили его аналог — тонкую плёнку сверхтекучего гелия-4, охлаждённую почти до абсолютного нуля. В таком состоянии гелий теряет вязкость и становится идеальной жидкостью. По сути, это почти идеальная «пустота» — квантовый вакуум в миниатюре.
Вот как работает аналогия, шаг за шагом:
- Роль квантового вакуума играет сама плёнка гелия. В ней постоянно возникают микроскопические возмущения — так же, как виртуальные частицы в пустоте.
- Роль мощного электрического поля выполняет направленный поток жидкости. Когда скорость течения превышает критический порог, в плёнке спонтанно рождаются пары вихрей — крошечные водовороты, вращающиеся в противоположных направлениях.
- Именно эти пары вихрей — точный аналог электрон-позитронных пар. Один вихрь — частица, второй — античастица.
Эксперимент не только подтвердил, что процесс рождения пар возможен, но и показал неожиданные детали.
«Месть аналога»: почему модель оказалась точнее теории
В классической теории сверхтекучести считалось, что масса вихря — постоянная величина. Но расчёты Стэмпа и его коллеги Майкла Дерошерса показали: масса вихря зависит от скорости его движения. Это оказалось не просто поправкой — это изменило всю картину. Физики задались вопросом: а что, если в оригинальном эффекте Швингера масса рождающихся частиц тоже непостоянна?
Разгадка пришла, когда они пересмотрели математику. Оказалось, что поведение вихрей в гелии обобщается на любую квантовую систему с рождением пар. Модель не просто подтвердила старую теорию — она её расширила. Авторы назвали это «местью аналога»: модель, созданная для проверки, сама стала источником новых фундаментальных знаний.
Таблица: что общего и в чём различие
| Параметр | Оригинальный вакуум (теория Швингера) | Модель на сверхтекучем гелии |
|---|---|---|
| Среда | Квантовый вакуум | Плёнка сверхтекучего гелия-4 |
| Воздействие | Электрическое поле (10¹⁸ В/м) | Поток жидкости (скорость > критической) |
| Рождающиеся объекты | Электрон + позитрон | Вихрь + антивихрь |
| Масса частиц | Считалась постоянной | Оказалась переменной (новое открытие) |
| Проверяемость | Практически невозможна | Полностью на столе |
Микро-инструкция: как работает «рождение из вакуума» в гелии
Если вы физик-экспериментатор и хотите повторить опыт, вот ключевые шаги (упрощённо):
- Шаг 1. Охладите гелий-4 до температуры ниже 2,17 К — он станет сверхтекучим.
- Шаг 2. Создайте тонкую плёнку толщиной в несколько атомов — она будет вести себя как двумерная квантовая система.
- Шаг 3. Придайте плёнке скорость выше некоторого порога (около 0,1 м/с для гелия).
- Шаг 4. Наблюдайте спонтанное образование пар вихрей с помощью интерферометрии.
- Шаг 5. Измерьте зависимость массы вихря от скорости — именно здесь скрывается «месть аналога».
Личное наблюдение автора. Недавно я беседовал с одним из участников проекта на конференции по физике конденсированного состояния. Он признался: «Мы просто хотели красивую аналогию для студентов. А в итоге опровергли собственные учебники». Это, пожалуй, и есть главная ценность таких экспериментов — они заставляют пересматривать то, что казалось незыблемым.
Работа канадской группы — пример того, как изящная лабораторная модель может дать ответы на вопросы, которые десятилетиями считались недоступными. Мы не построим звездолёт до чёрной дыры, но мы можем принести чёрную дыру в чашку Петри. И, возможно, именно такие «настольные вселенные» помогут нам понять, как из ничего рождается нечто.
