2. Физический вакуум

В современных физических теориях вакуум играет особую роль. Это не просто не содержащая частиц и полей пустота, а особая физическая сущность. Хотя все квантовые числа, характеризую­щие состояние вакуума, равны нулю, возможность виртуальных процессов в нем приводит к нескольким специфическим эффек­там при взаимодействии с ним реальных частиц. Важность поня­тия «физический вакуум» в том, что его свойства определяют свой­ства всех остальных состояний.

В середине XX в. было экспериментально обнаружено неболь­шое отклонение уровней энергии атома водорода от предсказа­ний релятивистской квантовой механики, основанных на уравне­ниях Дирака для квантования систем с переменным числом час­тиц. Это расщепление уровней получило название сдвиг Лэмба.

Одна из причин расщепления состоит в испускании и погло­щении электроном виртуальных фотонов, что меняет эффектив­ную массу электрона и ведет к возникновению у него аномально­го магнитного момента. Еще одна причина заключается в поля­ризация вакуума, за счет которой может происходить частичная экранировка электрического заряда, что искажает кулоновский потенциал ядра на расстояниях порядка комптоновской длины (≈10 ^-13м). Лэмбовский сдвиг уровней энергии электронов в атоме хорошо изучен экспериментально вплоть до расстояний порядка радиуса слабых взаимодействий (≈2·10^-18м). Теоретические рас­четы с использованием квантовой электродинамики хорошо со­гласуются с экспериментом, что подтверждает применимость этой теории.

Другой пример — эффект Казимира. Он состоит в том, что между двумя незаряженными пластинами, находящимися в ваку­уме, возникает сила притяжения, которая увеличивается с умень­шением расстояния и зависит от формы границы.

С точки зрения квантовой физики отсутствие частиц и полей соответствует состоянию с вполне определенным значением энер­гии, равной нулю. Но такое полностью определенное состояние невозможно из соотношения неопределенностей Гейзенберга. Должна быть минимальная, не нулевая, неопределенность в ве­личине поля — квантовые флуктуации.

В гл. 6 упоминалось, что из соотношения неопределенности следует возможность возникновения виртуальных частиц из ни­чего без нарушения закона сохранения энергии. Считается, что вакуум заполнен возникающими и исчезающими виртуальными парами частиц (частиц и античастиц), которые и образуют кван­товые флуктуации. Хотя виртуальные частицы никак не проявля­ют себя, их отличная от нуля энергия приводит к появлению боль­шой плотности энергии вакуума. Поскольку энергия и масса эк­вивалентны, любая плотность энергии создает гравитационное поле. Можно компенсировать большие положительные плотнос­ти энергии, если приписать вакууму такую же отрицательную плот­ность энергии. В квантовой теории вакуума П. Дирак представил вакуум, как среду, в которой все уровни с отрицательной энергией заселены электронами, а уровни с положительной энергией сво­бодны. Если электрону передать энергию, то он может с отрица­тельного уровня перейти на положительный. На его месте образу­ется дырка, имеющая положительный заряд, которая будет про­являть себя как античастица к электрону — позитрон.

Необычность свойств вакуума проявляется и по отношению к различным видам взаимодействия. По-видимому, он по-разному может действовать на заряды, вызывающие эти взаимодействия. Отрицательной энергии вакуума соответствует отрицательное дав­ление, поэтому при расширении вакуума энергия будет не умень­шаться, а возрастать.

В инфляционных моделях возникновения Вселенной у вакуу­ма особая роль. Его необычные свойства и квантовые неоднород­ности могли привести к образованию Вселенной. Вакуум нахо­дился в состоянии с отрицательным давлением (ложный ваку­ум). Отрицательному давлению соответствуют силы отталкивания, а не притяжения, которые и привели к расширению. При отрица­тельном давлении расширение приводит к увеличению энергии, а не уменьшению, и энергия накапливается. Эта инфляционная фаза продолжалась около 10 ^{- 30} с. Затем из-за нарушения симметрии и распада вакуума произошло образование пузырей «истинного» вакуума, в один из которых выделилась вся энергия, запасенная ложным вакуумом. В нем и образовалась наша Вселенная. По концепции теории великого объединения¹, на момент времени 10 ^-32с существовал лишь вакуумный бульон, состоящий из Х частиц и античастиц (частицы Хигса). При распаде тех и других в сумме должно образовываться одинаковое количество вещества и антивещества, но из-за небольшого отклонения в симметрии ве­щества образуется несколько больше. Из этого вещества и воз­никли все структуры нашей Вселенной.