Призрак Швингера: теория, которую нельзя проверитьВ 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 гелияИ 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 одногоНа 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 оригиналЧтобы 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.
yaplakal.com