Состоит ли пустота из эфира, пены или чего-то ещё такого?

Есть в науке такой интересный принцип — физика не терпит пустоты. Следуя ему, мы ищем составляющие самых разных пространств, в которых ничего не должно быть. По этой логике даже между субатомными частицами потенциально может располагаться некоторая особая среда, которая не является пустотой.

Пустые области на разных этапах развития физики были заполнены самыми разными сущностями. Сначала эфиром, потом полем, затем квантовой пеной. А что из всего этого правильно?

Стоит заметить, что в основном все современные представления о заполненности пустоты следуют из математических описаний того, как это должно работать. Более ранние теории исходили из некоторой здравой логики. Но «пощупать руками» или однозначно исследовать такие объекты мы не можем.

Эфир и пустота

Одна из самых спорных сущностей, которая появилась в науке и выполняла роль «наполнителя», именовалась эфиром. Идея была простой. Если свет как-то проходит через пустую среду, значит в этой среде что-то есть. Ученые предположили, что там находится особый типа материи, способный переизлучать внутри себя луч света. Но споров на этот счёт было много и точка в общем смысле была поставлена экспериментом Мейкельсона-Морли, где эффект от эфира наблюдать не получилось.

Сегодня светоносный эфир мёртв. Но зато его заменила концепция, называемая квантовым полем и пустоты так и не появилось.

Поле сменило эфир

Поле — это объект, которому приписано значение в каждой точке пространства и времени, и поведение которого описывается уравнениями поля. Например, в классической электродинамике существует электромагнитное поле неподвижного точечного заряда.

Примером уравнений поля могут служить уравнения Максвелла. Визуализировать это может быть сложно, но всё же возможно. Представьте, что электрическое поле — это, по сути, жидкость, например, вода. В каждой точке вода движется в определённом направлении. Например, если у нас есть электрон, энергия в виде волнения поверхности жидкости, движется к нему. Для протона — энергия движется от него. Линии поля можно рассматривать как скорости жидкости.

Представьте себе, что электрон движется по этому океану с ускорением, словно лодка. От борта лодки будут расходиться небольшие волны. Эта рябь описывает то, что мы называем излучением. Такая аналогия, как и все прочие, ограничена, поскольку излучение возникает только при ускорении заряда, а в воде рябь возникает даже при постоянной скорости.

Общая теория относительности описывает и гравитационное поле аналогичным образом.

Но как это связано с квантовыми полями, которые, кажется, сегодня и есть самое точное представление?

Квантовые поля и пена

В физике за прошедшие последние 70 лет, мы пришли к иному пониманию полей и частиц, чем раньше. Теперь мы видим, что электрон, протон (точнее, составляющие протона, называемые кварками) и другие объекты также имеют связанные с ними различные океаны (читай как собственные поля). Частицы описываются как рябь на поверхности этих океанов.

Рябь на поверхности океанов — это то, что де Бройль представлял себе в своём корпускулярно-волновом дуализме. Материю (и излучение) можно рассматривать как волны или возмущения самого поля. Если же мы возьмём пучок волн и сложим их таким образом, что высота волны в определённой точке будет значительно выше, чем в других точках, мы воспроизведём… частицы. Теперь частица стала производной от поля.

Эти океаны и называются квантовыми полями. В квантовой теории поля мы описываем взаимодействие этих океанов, и океан — это фундаментальный объект, который мы описываем. Он существует во всём пространстве, описанный во все времена. Именно он пришёл на смену эфиру и простому представлению о поведении поля, как среды, способной передавать взаимодействие.

Квантовая же пена, которая тоже постоянно сегодня упоминается — это некоторые обрывки материи и частиц, являющиеся результатом работы всех этих полей. Как будто кто-то строгал деревяшку и остались опилки. Деревяшка будет тут частицами, а пена — опилками.

По сути получается, что современная физика всё также не допускает пустое пространство как факт, но заполнено всё это уже не эфиром, а квантовыми полями и пеной.