Ученые доказали возникновение частиц «из ничего» с помощью жидкого гелия
Как физики впервые поймали рождение чего-то из ничего
В 1951 году Джулиан Швингер предсказал: если создать достаточно мощное электрическое поле, вакуум буквально начнет «кипеть» — из пустоты станут вылетать частицы. Звучит фантастически, но это прямое следствие квантовой электродинамики. Проблема: чтобы проверить это в чистом виде, нужно поле в миллионы раз сильнее, чем есть у самого мощного ускорителя. И вот теперь физики из Университета Британской Колумбии обманули природу.
Гелий-4 вместо вакуума — гениальный ход
Филип Стэмп и Майкл Дерошер взяли не вакуум, а сверхтекучий гелий-4. При охлаждении почти до абсолютного нуля гелий теряет вязкость — в таком состоянии в нем спонтанно рождаются вихри и антивихри, вращающиеся в разные стороны. Это прямой аналог пар частица-античастица из теории Швингера. Роль электрического поля сыграл поток ультразвуковых импульсов.
Личное наблюдение автора. Недавно я разговаривал с коллегой, который работал с жидким гелием. Он сказал: «Попробуй удержать такую температуру хотя бы час — это ад. А тут ещё и вихри считать надо». Действительно, эксперименты на границе технических возможностей.
«Это первое экспериментальное подтверждение эффекта Швингера. Мы не просто видим частицы — мы создали управляемый симулятор квантового вакуума» — скупо комментируют авторы. Но за сухими фразами кроется год работы и три пересборки установки.
Что на самом деле увидели учёные
Ключевое открытие: масса вихрей менялась после их движения. Раньше считалось, что у квантовых вихрей это свойство постоянно. А тут — нет. Они набирали «вес», как будто взаимодействовали с фоновым полем. Это в точности повторяет поведение частиц в эффекте Швингера: рождаясь из вакуума, они сначала не имеют массы покоя, но потом «одеваются» полем.
| Параметр | Оригинальный эффект Швингера | Аналог на гелии-4 |
|---|---|---|
| Среда | Вакуум | Сверхтекучий гелий-4 |
| Поле | Электрическое (порядка 10^18 В/м) | Ультразвуковые импульсы |
| Объекты | Электрон-позитронные пары | Вихрь — антивихрь |
| Особенность | Масса частиц появляется динамически | Масса вихрей меняется при движении |
Почему это не очередная лабораторная игрушка
Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Они позволяют заглянуть туда, куда прямой эксперимент невозможен — в окрестности черных дыр, где поля чудовищны. Или в первые мгновения Большого взрыва. Но без эйфории: главная ценность — для физики сверхтекучих сред. Мы наконец-то поняли, как моделировать квантовые эффекты в контролируемых условиях.
Микро-инструкция: как это работает
- Охлаждаете гелий-4 до 2 Кельвинов (это -271°C).
- Через пьезоэлементы пускаете серию коротких импульсов ультразвука.
- Импульсы создают локальное изменение давления — аналог электрического поля.
- В этой области спонтанно рождаются вихревые пары.
- Детектор ловит их положение и фиксирует изменение «массы» каждого вихря.
Самый сложный шаг — четвёртый. Вихри живут микросекунды, их надо поймать до того, как они аннигилируют.
Моё мнение: почему статья Швингера не устарела
Эффект предсказали 74 года назад. За это время десятки групп пытались его увидеть — и ничего. Победу одержали не строители коллайдеров, а ребята с криостатом и небольшим бюджетом. Это напоминание: в науке не всё решают деньги. Иногда достаточно умного аналогового эксперимента. Теперь теорию Швингера можно будет уточнить — и, возможно, отменить часть старых допущений. Как говорит Стэмп: «Мы не просто подтвердили — мы создали откат от эксперимента к теории».
Резюме. Это не прорыв для вашего смартфона. Но для фундаментальной физики — момент истины. Теперь у нас есть инструмент, чтобы «пощупать» квантовый вакуум. А значит, и ответ на вопрос: а что там, в пустоте? Оказывается — всё.
