Страница 64 из 69
3. Эффект Казимира: Сила ничто
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир (Hendrik Casimir) высказал предположение о существование материальной силы, основывающейся на флуктуации минимальной энергии Гейзенберга в вакууме. Вспомним из Приложения 2 об энергии нулевых колебаний, что вакуум или «пустое пространство», на самом деле состоит из переменных флуктуаций энергии и электромагнитных полей. Абсолютного вакуума не существует В принципе, волны в «вакууме» могут иметь любые частоты. Физики даже могут вычислить среднюю ненулевую энергию флуктуации волны вакуума, равную половине энергии фотона. Казимир предположил, что если поместить в вакуум очень близко друг к другу две крошечные пластинки, то между ними будет достаточно места для движения коротких волн, но недостаточно для более длинных. Волны, удерживаемые снаружи, будут «давить» на обе пластинки, или зеркала, создавая силу, которую сегодня называют «силой Казимира» или «силой ничто». Этот эффект давления флуктуирующих полей был экспериментально обнаружен в 1993 году.[162]
Этот эффект может быть проиллюстрирован действием волнения моря на рядом стоящие корабли. Их будет «прибивать» друг к другу волнами, длина которых больше чем расстояние между кораблями.
(Рисунок 3.1. Сила ничто Казимира. Волны возникают в результате нулевых колебаний вакуума. Большая по длине волна не умещается в зазор между пластинками или зеркалами, и поскольку она не может «проникнуть» в этот узкий зазор, она создает давление между зеркальными пластинками. Надпись на рисунке: СИЛА ИЛИ ДАВЛЕНИЕ НИЧТО)
На рисунке 3.1 вы можете видеть, что небольшая волна (с малой длиной) умещается между пластинками (или кораблями). Если два корабля находятся на гребнях этой небольшой волны, то более длинные волны, которые не могут уместиться между кораблями, будут толкать их снаружи, и прижимать друг к другу.
То же самое справедливо и для квантового вакуума. Если вместо кораблей вы имеете два зеркала, то квантовые волны «вакуума», не помещающиеся между пластинками, будут толкать их друг к другу.
Недавние достижения в развитии теории Казимира, опубликованные Бернардом Хейшем с сотрудниками в журнале Physical Review, показывают, что эта «сила ничто» может быть связана с инерцией всех материальных тел.[163] Если вы что-либо толкаете — даже если это мяч на полу — инерция мяча сопротивляется толчку. Инерция массы, ее гравитационная природа, общие законы физики, относящиеся к этому вопросу, до сих пор оставались загадкой. Согласно Хейшу, Казимирова сила «ничто» может лежать в основе нашего восприятия силы. Другими словами, инерция возникает из-за того, что невидимый фон вселенной противится быстрым изменениям. В теории Хейша, масса и движение неразрывно связаны друг с другом.
С психологической точки зрения, теория Казимира выглядит как специальный случай размышления о чём-либо, и маргинализации других вещей. Маргинализация одной энергии (или частоты) в пользу другой дает нам ощущение гравитации, давления или силы. Если мы способны двигаться с разными силами и векторами, то чувствуем себя несомыми, и не ощущаем силу, как таковую. Маргинализация создает давление и силу. Маргинализация и давление взаимосвязаны. Поскольку маргинализировать естественно, естественно иметь силы, и ощущение «я» и «не-я». Результат — то, что мы называем общепринятой реальностью — основывается на разделении здесь и там, настоящего и прошлого, и т. д. Сила Казимира — это метафора едва уловимых толчков и порывов, притяжений и отталкиваний, которые мы осознаем. Возможно эта сила представляет собой один из аспектов принципа осознания — дуалистической, релятивистской тенденции осознания. Сама наша природа, природа вселенной, выбирает одни «вибрации» или чувства, и не впускает другие.
4. Фейнман и квантовая электродинамика
Американский физик Ричард Фейнман (1918–1988) в 1965 году получил Нобелевскую премию за разработку теории квантовой электродинамики, науки о взаимодействии света с атомами и их электронами. Он способствовал будущему развитию нанотехнологии (изучения машин размером в одну миллиардную долю сантиметра) и теории кварков (фундаментальных частиц, из которых состоят «элементарные» частицы, например, протоны и электроны), а также теории сверхтекучести (состояния материи, в котором вещество течет без сопротивления).
Фейнман был выпускником Массачусетского Технологического Института, и защитил докторскую диссертацию в Принстонском Университете, у Джона Уиллера, который воспитал многих знаменитых ученых, например, Хью Эверетта. Тема диссертации Фейнмана «Принцип наименьшего действия в квантовой механике», отражала специфику его подхода — использовать базовые принципы для решения фундаментальных проблем.
Работа Фейнмана в области квантовой электродинамики, принесшая ему Нобелевскую премию, была посвящена изучению того, как электроны, позитроны (частицы с той же массой, как электроны, но с противоположным зарядом) и фотонов (кванты световой энергии) взаимодействуют друг с другом. Вместе с работами других ученых в той же области, квантовая электродинамика до сих пор остается самой точной физической теорией, составляя основу общепринятого понимания квантовой теории.
Для иллюстрации взаимодействия элементарных частиц друг с другом, Фейнман придумал то, что теперь называется «диаграммами Фейнмана». Эти диаграммы дают нам интуитивное представление о движении частиц («пространственно-временной подход»). Он предложил думать о путях частицы, как об идущих из одной точки в пространстве и времени в другую через области, которые слишком малы, чтобы их можно было точно измерить. Его метод дает правила для вычисления тенденций и вероятностей, связанных с каждым из возможных путей частицы. Складывая все эти тенденции, мы получаем наиболее вероятный физический процесс, который можно измерить в повседневной реальности.
5. Гравитация
В повседневной жизни, мы знаем о гравитации потому, что ощущаем, как наш вес давит на наши ступни, когда мы стоим, или на ягодицы, когда мы сидим на стуле или на земле. Мы наблюдаем приливы и отливы, вызываемые силами тяготения Земли и Луны. Гравитация влияет на погоду, заставляя плотный холодный воздух опускаться вниз, и позволяя более легкому, более теплому воздуху оставаться наверху. Без гравитации, все мы и окружающие нас предметы улетели бы в космическое пространство. Гравитация составляет часть того ощущения, которое мы испытываем, будучи живыми телами на Земле. Гравитация связана со всем, что мы называем своим «домом». Без гравитации Земля разлетелась бы на куски, и мы бы жили в открытом космосе.
Гравитация — это сила тяготения между всеми объектами, которая притягивает их друг к другу. Это универсальная сила, воздействующая на самые большие и самые малые объекты, на все формы материи и энергии. Гравитация — очень слабая сила, но для огромных объектов (например, планет) сила гравитации может быть весьма большой. Таким образом, гравитация управляет движением астрономических тел. Взгляните на небо; гравитация удерживает луну околоземной орбите, она удерживает Землю и другие планеты нашей солнечной системы на их орбитах вокруг Солнца. На самом деле, гравитация управляет видимым движением всех звезд, замедляя расширение вселенной, так как звезды и галактики притягивают друг друга. Гравитация создает черные дыры. Когда звезда исчерпывает топливо, необходимое для горения, в дело вступает гравитация, и сжимает звезду в крохотное ничто, именуемое черной дырой.
Гравитация — самая слабая из четырех фундаментальных сил: она слабее электромагнетизма, а также слабых и сильных ядерных сил, связывающих частицы в атоме. Гравитация настолько слаба, что почти не влияет на строение атомов. В отличие от других сил, гравитация не так быстро убывает с расстоянием. В то время, как электромагнитные силы или силы, действующие между частицами, участвуют как в притяжении так и в отталкивании, гравитация только притягивает, и ее действие сохраняется на больших расстояниях.
162
Первые экспериментальные подтверждения относятся к 1958 году (пер.)
163
“Inertia as a Zero-Point Field Lorenz Force (Инерция как Лоренцева сила поля нулевых колебаний.)Physical Review A, Vol. 49, No. 2, pp. 678–694 (1994).