Текст книги "Ноль: биография опасной идеи"

Глава 7
Абсолютные ноли

Физика ноля

Осмысленная математика включает пренебрежение количеством, когда оно мало, но не пренебрежение, когда оно бесконечно велико и когда вам этого не хочется!

Поль Дирак

Наконец стало неоспоримым, что бесконечность и ноль неразделимы и чрезвычайно важны для математики. У математиков не осталось иного выбора, кроме как научиться жить с ними. Для физиков, впрочем, ноль и бесконечность казались совершенно несущественными для понимания того, как функционирует Вселенная. Сложение бесконечностей и деление на ноль могут быть частью математики, но это не путь природы.

Или так надеялись ученые. Пока математики открывали связи между нолем и бесконечностью, физики начали сталкиваться с нолями в мире природы. Ноль перекочевал из математики в физику. В термодинамике он стал непреодолимым барьером: самой низкой возможной температурой. В общей теории относительности Эйнштейна ноль превратился в черную дыру, чудовищную звезду, проглатывающую целые солнца. В квантовой механике ноль оказался странным источником энергии – бесконечной и вездесущей, присутствующей даже в глубоком вакууме призрачной силой, проявляемой ничем.

Жар ноля

Когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, вы что-то знаете об этом; но когда вы это измерить не можете, когда не можете выразить это в числах, ваши знания незначительны и неудовлетворительны: они могут быть началом знания, но в своих мыслях вы едва ли достигли стадии науки.

Уильям Томсон, лорд Кельвин

Первый неизбежный ноль в физике возникает из закона, который полстолетия был в употреблении. Этот закон был в 1787 году открыт Жаком Александром Шарлем, французским физиком, уже прославившимся первым полетом на наполненном водородом воздушном шаре. Шарля помнят не за его достижения в аэронавтике, а за закон природы, носящий его имя.

Шарль, как и многие физики его времени, был заинтересован удивительно различными свойствами разных газов. Кислород заставляет угли вспыхнуть ярким пламенем, углекислый газ тушит их. Хлор имеет зеленый цвет и смертельно ядовит, окись азота бесцветна и заставляет людей смеяться. Однако у всех этих газов основные свойства одни и те же: при нагревании они расширяются, при охлаждении сжимаются. Шарль открыл, что их поведение чрезвычайно постоянно и предсказуемо. Если взять одинаковые объемы двух разных газов, поместить их в одинаковые баллоны и одинаково нагреть, они расширятся одинаково, а при охлаждении одинаково сожмутся. Более того, с нагреванием или охлаждением на каждый градус связан определенный процент увеличения или уменьшения объема. Закон Шарля описывает связь объема газа с его температурой.

В 1850-х годах, однако, Уильям Томсон, британский физик, заметил в законе Шарля что-то странное: призрак ноля. Чем ниже температура, тем меньше и меньше становится объем баллонов. Если снижение температуры продолжается с постоянной скоростью, с постоянной скоростью уменьшается и объем баллонов, но это продолжается не вечно. Существует точка, в которой, согласно теории, газ не занимает никакого пространства. Закон Шарля гласит, что баллон с газом должен сжаться до нулевого объема. Конечно, нулевой объем – это самый малый возможный объем. Когда газ достигает этой точки, он не занимает никакого пространства. (Конечно, не может идти речи об отрицательном пространстве.) Если объем газа связан с его температурой, минимальный объем означает минимальную температуру. Газ не может становиться холоднее и холоднее до бесконечности. Когда вы не можете добиться еще большего сжатия баллона, вы не можете еще больше понизить и температуру. Это абсолютный ноль. Это низшая возможная температура, немногим меньше –273 градуса Цельсия.

Томсон больше известен как лорд Кельвин, и по имени Кельвина названа эта универсальная температурная шкала. Если шкала Цельсия – шкала со ста делениями, где ноль градусов – температура, при которой вода замерзает, а сто градусов – температура, при которой она кипит (при этом, естественно, подразумеваются так называемые «нормальные условия»), то по шкале Кельвина ноль градусов – это абсолютный ноль, а «цена» градуса совпадает со шкалой Цельсия.

Абсолютный ноль – это состояние, когда газ в сосуде лишен всей своей внутренней энергии. На самом деле такое состояние – недостижимая цель. Невозможно охладить тело до абсолютного ноля. Можно приблизиться к нему очень близко, тормозя атомы лазерным лучом. Физики сейчас могут достичь таким образом нескольких миллионных градуса выше абсолютного ноля. Впрочем, все во Вселенной стремится не дать на самом деле достичь абсолютного ноля. Дело в том, что любое имеющее энергию тело двигается и излучает свет. Например, люди состоят из молекул воды, загрязненной небольшим количеством органических соединений. Все входящие в эти соединения атомы колеблются в пространстве. Чем выше температура, тем быстрее атомы двигаются. При этом они сталкиваются с другими, заставляя соседей двигаться в свою очередь.

Допустим, вы пытаетесь охладить банан до абсолютного ноля. Чтобы избавиться от всей внутренней энергии, содержащейся в банане, вы должны заставить его атомы перестать двигаться. Вы должны поместить банан в контейнер и охладить. Однако и контейнер тоже состоит из атомов. Атомы контейнера колеблются, они сталкиваются с атомами банана и приводят их в движение. Даже если вам удастся заставить банан плавать в абсолютном вакууме в центре контейнера, вы не сможете полностью прекратить движение, потому что танцующие частицы испускают свет. Свет постоянно исходит из атомов контейнера и попадает в банан, заставляя его частицы снова приходить в движение.

Все атомы, составляющие охлаждающую обмотку и жидкий азот, двигаются и испускают свет, так что банан постоянно поглощает энергию колеблющихся и испускающих свет атомов контейнера, пинцета, которым вы держите банан, охлаждающей обмотки, которую вы используете для создания низкой температуры. Вы не можете создать щит, который изолировал бы банан от всего окружения. Атомы такого щита тоже колебались бы и излучали свет. Каждое тело находится под воздействием окружающей его среды, так что охладить до абсолютного ноля что-либо – банан, кубик льда, сосуд с жидким гелием – невозможно. Это непреодолимый барьер.

Следствия из открытия абсолютного ноля весьма отличались от законов Ньютона. Выведенные Ньютоном уравнения давали физикам силу. Ученые могли с большой точностью определять орбиты планет и предсказывать движение различных тел. С другой стороны, открытие Кельвина говорило физикам о том, чего они сделать не могут. Они не могли даже достичь абсолютного ноля. Это препятствие очень разочаровывало мир науки, но оно положило начало новой области физики – термодинамике.

Термодинамика – это наука о том, как ведут себя тепло и энергия. Подобно открытому Кельвином абсолютному нолю, законы термодинамики воздвигли непреодолимые барьеры, проникнуть за которые не может, как бы ни старался, ни один ученый. Например, термодинамика говорит, что создание вечного двигателя невозможно. Алчные изобретатели заваливают научные учреждения и журналы проектами невероятных механизмов – механизмов, которые вечно производили бы работу без источника энергии. Однако законы термодинамики утверждают, что подобное невозможно. Это еще одна цель, которая не может быть достигнута, несмотря ни на какие усилия. Невозможно даже создать машину, которая бы работала, не тратя энергии зря: какая-то ее часть обязательно будет отдаваться Вселенной в виде тепла. (Термодинамика похуже казино: вы не можете выиграть, что бы ни предпринимали. Нельзя даже сыграть вничью.)

Желание построить мостик между термодинамикой и механикой породило новую дисциплину, статистическую механику. Рассматривая коллективное движение групп атомов, физики могут предсказать поведение материи. Например, статистическое описание газа объясняет закон Шарля. По мере увеличения температуры газа его молекулы в среднем двигаются быстрее и с большей силой ударяют в стенки баллона. Газ сильнее давит на стенки, и давление повышается. Статистическая механика – теория колебаний – объяснила некоторые основополагающие свойства материи и даже, как на протяжении долгого времени многим казалось, природу света. Эта проблема многие столетия озадачивала ученых. Исаак Ньютон полагал, что свет состоит из крохотных частиц, испускаемых любым светящимся объектом. Со временем, однако, появились основания считать, что свет на самом деле – скорее волна, чем частица. В 1801 году британский ученый открыл интерференцию света, казалось бы, полностью разрешив вопрос.

Интерференция происходит со всеми видами волн. Когда вы кидаете камешек в пруд, возникают круговые колебания воды – волны. Вода поднимается и опускается, гребни и впадины распространяются наружу по кругу. Если вы бросите одновременно два камня, колебания будут интерферировать друг с другом. Вы сможете наглядно в этом убедиться, если опустите два вибрирующих стержня в сосуд с водой. Когда гребень волны от одного стержня встречается с впадиной от другого, они гасят друг друга; если вы присмотритесь внимательно, то заметите линии спокойной, лишенной волн воды (рис. 45).

Рис. 45. Интерференция волн на поверхности воды

То же самое верно для света. Если свет проходит через две узкие щели, то появляются темные участки – свободные от световых волн (рис. 46). (Сходный эффект можно наблюдать в домашних условиях. Сложите пальцы вместе. Между ними останутся крохотные промежутки, через которые проходит свет. Взгляните через один из этих промежутков на лампочку, и вы заметите тонкие темные линии, особенно вблизи верха и низа промежутка. Это – следствие волновой природы света.) Волны подобным образом интерферируют, а частицы – нет. Поэтому феномен интерференции, казалось бы, однозначно разрешает вопрос природы света. Физики пришли к выводу, что свет – это не частицы, а волны электрических и магнитных полей.

Рис. 46. Интерференция света. Если вы повернете книгу боком и посмотрите вдоль страницы, вы увидите на ней интерференционную картину.

Такая ситуация существовала до середины 1800-х годов. Казалось бы, она точно соответствует законам статистической механики.

Специалисты по статистической механике объясняют, как колеблются молекулы материи. Волновая теория света предполагает, что колебания молекул каким-то образом порождают волны излучения – световые волны. Более того, чем горячее тело, тем быстрее его молекулы двигаются. В то же время чем горячее объект, тем больше энергии в световых волнах света, которые он испускает. Все прекрасно сходится. Что касается света, то чем быстрее колеблется волна – чем выше ее частота, тем больше в ней энергии. (А также чем выше ее частота, тем короче длина волны: расстояние между двумя гребнями.) Действительно, один из самых важных законов термодинамики – так называемое уравнение Стефана – Больцмана – связывает колебания молекул с колебаниями света. Он связывает температуру тела с общим количеством световой энергии, которую оно испускает. Это была самая большая победа статистической механики и волновой теории света. (Уравнение утверждает, что испускаемая энергия пропорциональна температуре в четвертой степени. Оно говорит не только о том, сколько излучения испускает тело, но также насколько горячим оно становится, получив определенное количество энергии. Именно этот закон – наравне с цитатой из книги Исайи – физики использовали для того, чтобы определить, что температура небес выше 500 градусов по Кельвину.)

К несчастью, победа продержалась недолго. В конце столетия двое британских физиков попытались применить теорию статистической механики колебаний для решения простой проблемы. Требовалось довольно обычное вычисление: сколько света испускает пустая идеально поглощающая его полость? Применив базовые уравнения статистической механики (которые говорят о том, как колеблются молекулы) и уравнения, описывающие взаимодействие с ними электрических и магнитных полей (а к этому времени уже стало известно, что свет – это колебания электромагнитного поля), физики вывели уравнение, определяющее зависимость доли энергии, изучаемой полостью, от длины световых волн, испускаемых полостью при любой данной температуре.

Так называемый закон Рэлея – Джинса, названный в честь физиков лорда Рэлея и сэра Джеймса Джинса, работает довольно хорошо. Он точно предсказывает долю энергии, уносимой светом в длинноволновой части диапазона. Но при высоких энергиях, в коротковолновой части спектра, закон оказывается неточным. Он предсказывает, что тело испускает все больше и больше света при все меньшей и меньшей длине волны (и тем самым излучает все больше и больше энергии). Соответственно, в коротковолновой части спектра, близкой к нулевой длине волны, свет уносит бесконечное количество энергии. И этот вывод из закона Рэлея – Джинса не зависит от температуры тела. Даже кубик льда должен был бы испускать достаточно ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-радиации, чтобы испарить все вокруг. Это так называемая ультрафиолетовая катастрофа. Нулевая длина волны эквивалентна бесконечной энергии. Ноль и бесконечность сговорились, чтобы разрушить прекрасную, ясную систему законов. Разгадка этого парадокса быстро сделалась ведущей проблемой физики. Рэлей и Джинс не сделали никаких ошибок. Они использовали уравнения, которые физики считали верными, применили их общепринятым способом, но получили результат, не отражающий того, как работает природа. Кубики льда не уничтожают цивилизации гамма-излучением, хотя по принятым тогда правилам физики это было бы неизбежно. Какой-то из законов физики должен был быть неверным. Но какой?

Нулевой квант: бесконечная энергия

Для физиков вакуум в латентном виде содержит все частицы и все силы. Это гораздо более богатая субстанция, чем ничто философов.

Сэр Мартин Рис

Ультрафиолетовая катастрофа привела к квантовой революции. Квантовая механика избавилась от ноля в классической теории света – устранив бесконечную энергию, которая, предположительно, исходила из любой частицы материи во Вселенной. Впрочем, это была не такая уж победа. Ноль в квантовой механике означает, что вся Вселенная – включая вакуум – наполнена бесконечной энергией: энергией нулевых колебаний. Это в свою очередь ведет к самому странному нолю во Вселенной: фантомной силе ничто.

В 1900 году немецкие экспериментаторы попытались пролить свет на ультрафиолетовую катастрофу. Благодаря тщательным измерениям излучения, испускаемого телами при различных температурах, они показали, что формула Рэлея – Джинса на самом деле не может предсказать истинное количество света, испускаемого телом. Молодой физик по имени Макс Планк рассмотрел новые данные и через несколько часов предложил новое уравнение взамен формулы Рэлея – Джинса. Формула Планка не только объясняла новые измерения, она разгадывала загадку ультрафиолетовой катастрофы. По этой формуле энергия не возрастала до бесконечности по мере уменьшения длины волны, вместо этого она снова уменьшалась (рис. 47). К несчастью, хотя формула Планка была правильна, ее следствия были более тревожащими, чем разгадка ультрафиолетовой катастрофы.

Проблема заключалась в том, что формула Планка не вытекала из обычных следствий законов статистической механики. Законы физики должны были измениться, чтобы соответствовать формуле Планка. Позднее Планк описывал свои действия как «акт отчаяния»: только отчаяние могло подвигнуть физика на столь, казалось бы, бессмысленные изменения законов физики. Согласно Планку, молекулы не могли поглощать и излучать свет какими угодно количествами. Обмен энергией строго дозировался порциями, именуемыми квантами. Вскоре идея получила продолжение: молекулы не могут обладать энергией в промежутке между двумя приемлемыми значениями.

Это могло бы показаться не таким уж странным предположением, но считалось, что природа так не действует. Природа не передвигается скачками. Глупо было бы представить себе людей ростом в пять и в шесть футов, но никого в промежутке. Смешно было бы ожидать, что автомобили будут двигаться со скоростью в 30 и 40 миль в час, но ни в коем случае не 33 или 38 миль! Между тем квантовый автомобиль вел бы себя именно так. Вы могли бы ехать со скоростью 30 миль в час, но стоило вам нажать на педаль газа, и неожиданно вы мгновенно оказывались едущим со скоростью 40 миль в час. Никакие промежуточные скорости непозволительны, так что для перехода от скорости в 30 миль в час к скорости в 40 миль в час вы должны совершить квантовый скачок. Точно так же квантовым людям было бы нелегко вырасти: они на несколько лет задержались бы на пяти футах, а потом в долю секунды – бах! – стали бы ростом в шесть футов. Квантовая гипотеза нарушает все, что нам говорит повседневный опыт.

Рис. 47. Рэлей – Джинс уходят в бесконечность, Планк остается конечным

Хотя она, казалось бы, не соответствует тому, как ведет себя природа, странная гипотеза Планка – квантование энергетических состояний молекул – приводила к правильной формуле для зависимости плотности излучаемой энергии от частот испускаемых телом волн. Несмотря на то, что физики быстро убедились в правильности формулы Планка, они не приняли квантовую гипотезу. Она была для этого слишком странной.

Из диковинки в принятый факт квантовую гипотезу превратил, казалось бы, неожиданный кандидат: Альберт Эйнштейн, 26-летний клерк патентного бюро. Он показал сообществу физиков, что природа пользуется квантами, а не равномерным приростом. Впоследствии Эйнштейн сделался основным оппонентом теории, созданию которой помог.

Эйнштейн не выглядел революционером. Когда Макс Планк перевернул мир физики вверх тормашками, Эйнштейн боролся с безработицей. Оказавшись без денег, он поступил на временную работу в швейцарское патентное бюро, что было весьма далеко от должности ассистента в университете, к которой он стремился. К 1904 году Эйнштейн был женат, имел новорожденного сына, трудился в патентном бюро… едва ли это был путь к величию. Однако в марте 1905 года он написал статью, которая со временем принесла ему Нобелевскую премию. Эта статья, объяснявшая фотоэлектрический эффект, сделала квантовую механику предметом общего интереса. Поскольку была принята квантовая механика, были приняты и загадочные силы ноля.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем: при освещении ультрафиолетовыми лучами цинковых электродов разрядника образование искр заметно облегчается. Как потом выяснилось, при освещении поверхности металла из нее вылетали электроны. Данный феномен, получивший название фотоэмиссии (испускание электронов под действием луча света), был загадкой для классической физики. Ультрафиолетовое излучение несет очень большое количество энергии, так что ученые, естественно, заключили, что для выбивания электрона из атома требуется большая энергия. Согласно волновой теории света, существует другой способ увеличить энергию светового луча: сделать его ярче. Очень яркий голубой свет, например, мог бы нести столько же энергии, как и тусклый ультрафиолет. Следовательно, яркий голубой свет должен был выбивать электроны из атомов, как мог это делать тусклый ультрафиолетовый луч.

Однако, как скоро показали эксперименты, ничего такого не происходило. Даже тусклый ультрафиолетовый луч (с высокой частотой волны) вызывает выбивание электронов из металла. Однако если хоть немного снизить частоту ниже критического порога, сделав свет чуть более красным, фотоэмиссия внезапно прекращается. Каким бы ярким ни был луч, если свет не того цвета, все электроны остаются в металле и ни один из них не вылетает. Это не то, что могла бы сделать световая волна.

Эйнштейн преодолел эту преграду – загадку фотоэлектрического эффекта, но его решение было еще более революционным, чем гипотеза Планка. Если Планк предположил, что колебания молекул квантованы, то Эйнштейн пришел к выводу, что сам свет распространяется маленькими порциями энергии – фотонами. Эта идея противоречила общепринятым взглядам, потому что означала, что свет – не волна.

С другой стороны, если энергия света упакована в маленькие пакеты, то легко объяснить фотоэлектрический эффект. Свет действует как пульки, которыми стреляют в металл. Когда пулька попадает в электрон, она его толкает. Если пулька имеет достаточно энергии (если ее частота достаточно высока), она выбивает электрон на свободу. Если же частица света не имеет достаточной энергии, чтобы выпихнуть электрон, тот остается на месте, а фотон отскакивает прочь.

Идея Эйнштейна блестяще объясняла фотоэлектрический эффект. Свет квантуется фотонами, что прямо противоречило волновой теории света, не подвергавшейся сомнению на протяжении более чем столетия. Вместо этого она предполагала, что свет обладает природой и волны, и частицы. Хотя свет иногда ведет себя как частица, в других случаях он действует как волна. На самом деле свет не частица и не волна, а их странная комбинация. Такую концепцию трудно воспринять. Однако эта идея лежит в основе квантовой теории.

Согласно ей, все на свете – свет, электроны, протоны, маленькие собачки – имеют свойства и волны, и частицы. Однако если тела одновременно и частицы, и волны, чем они могут быть? Математики знают, как их описать: это волновые функции, решения дифференциальных уравнений, называемых уравнениями Шрёдингера. К несчастью, это математическое описание не имеет интуитивного значения, практически невозможно представить себе, что такое эти функции[31]31
  Если говорить точно, то принцип неопределенности Гейзенберга касается не скорости частицы, а ее момента, который объединяет скорость, направление движения и информацию о массе частицы. Однако в данном контексте момент, скорость и даже энергия могут рассматриваться почти взаимозаменяемо.


[Закрыть]. Более того, по мере того как физики выявляли тонкости квантовой механики, обнаруживались все более странные вещи. Возможно, самая невероятная из них вызвана нолем в уравнениях квантовой механики – это энергия нулевых колебаний.

Эта странная сила входит в математические уравнения квантовой вселенной. В середине 1920-х годов немецкий физик Вернер Гейзенберг обнаружил, что эти уравнения имеют шокирующее следствие: неопределенность. Сила ничто как раз и вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга.

Принцип неопределенности имеет отношение к возможности описывать свойства частицы. Например, если мы хотим найти определенную частицу, нам нужно определить ее положение и скорость – узнать, где она находится и с какой скоростью движется. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что произвести такое простое действие мы не можем. Как бы мы ни старались, невозможно одновременно точно определить местоположение и скорость частицы. Дело в том, что сам акт измерения уничтожает часть информации, получить которую мы стремимся.

Чтобы что-то измерить, вам нужно коснуться объекта. Например, представьте себе, что вы хотите измерить длину карандаша. Вы можете провести по нему пальцами и так определить длину. Однако при этом вы, возможно, немного переместите карандаш, тем самым слегка изменив его скорость. Лучшим способом было бы осторожно положить рядом с карандашом линейку, однако на самом деле сравнение длины двух предметов также немного нарушит скорость карандаша. Вы можете даже просто смотреть на карандаш, воспринимая отраженный им свет. Как ни мало возмущение, вызванное толчками фотонов, оно все же немножко меняет скорость карандаша. Независимо от того, каким способом вы хотите измерить длину карандаша, вы в любом случае в процессе слегка подтолкнете его. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что не существует возможности измерить длину карандаша – или определить местоположение электрона – и одновременно их скорость с полной точностью. На самом деле чем лучше вам известно положение частицы, тем меньше вы знаете о ее скорости, и наоборот. Если вы с нулевой ошибкой определили позицию электрона – точно знаете, где он находится в данный момент, вы должны обладать нулевой информацией о том, как быстро он движется. И если вам с абсолютной точностью – с нулевой ошибкой – известна скорость частицы, вы допустите бесконечную ошибку, определяя ее местоположение: вам ничего не будет известно о том, где частица находится. Вы никогда не можете одновременно знать и то, и другое. Если у вас есть некоторая информация об одном, то насчет другого имеет место неопределенность. Это еще один закон, который нельзя нарушить.

Принцип неопределенности Гейзенберга приложим не только к производимым людьми измерениям. Как и законы термодинамики, он действует и в отношении самой природы. Неопределенность заставляет Вселенную кипеть бесконечной энергией. Представьте себе чрезвычайно маленький объем пространства – что-то вроде крошечной коробочки. Если мы проанализируем, что происходит внутри этой коробочки, мы можем прийти к некоторым заключениям. Например, мы с определенной точностью знаем положение частиц в коробочке: в конце концов, вне коробочки они быть не могут. Нам известно, что их передвижение ограничено определенным объемом, потому что если они окажутся вне коробочки, рассматривать их мы не будем. Поскольку мы имеем некоторую информацию о местонахождении частиц, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы точно не знаем скорости частиц – их энергии. По мере того как мы будем делать коробочку все меньше и меньше, мы все меньше и меньше будем знать об энергии частиц.

Такое рассуждение верно повсюду во Вселенной – как в центре Земли, так и в глубоком вакууме космоса. Это означает, что в достаточно малом объеме даже в вакууме содержится неопределенное количество энергии. Однако неопределенность в отношении энергии в вакууме выглядит смешно. Вакуум по определению не имеет в себе ничего – ни частиц, ни света. Таким образом, в вакууме совсем не должно быть энергии. Тем не менее в соответствии с принципом Гейзенберга нам неизвестно, сколько энергии имеется в этом объеме вакуума в любой данный момент. Энергия в крошечном объеме вакуума должна постоянно колебаться.

Однако как может вакуум, не имеющий в себе ничего, содержать вообще хоть какую-то энергию? Ответ дает другое уравнение: знаменитая формула Эйнштейна E = mc². Она связывает массу и энергию: масса тела эквивалентна определенному количеству энергии. (На самом деле физики не измеряют массу электрона, скажем, в килограммах, фунтах или обычных единицах массы или веса. Они говорят, что масса электрона в покое составляет 0,511 MeV [миллиона электрон-вольт] – огромное количество энергии.) Флуктуации энергии в вакууме – то же самое, что флуктуации в размере массы. Частицы постоянно то возникают, то исчезают, как миниатюрные чеширские коты. Вакуум никогда не бывает по-настоящему пуст. Вместо этого он кишит этими виртуальными частицами. В каждой точке пространства они успешно появляются и исчезают. Это и есть энергия нулевых колебаний, бесконечность в формулах квантовой теории. В строгом смысле энергия нулевых колебаний безгранична. В соответствии с уравнениями квантовой механики в пространстве внутри вашего тостера больше энергии, чем запасено во всех угольных шахтах, нефтяных запасах и всем ядерном оружии в мире.

Когда в уравнении содержится бесконечность, физики обычно решают, что где-то вкралась ошибка: бесконечность не имеет физического смысла. Не отличается от этого и энергия нулевых колебаний, большинство ученых ее полностью игнорирует. Они просто притворяются, что энергия нулевых колебаний равна нолю, хотя и знают, что она бесконечна. Это удобная фикция и обычно не имеет значения. Впрочем, случается, что и имеет. В 1948 году двое голландских физиков, Хендрик Б. Г. Казимир и Дирк Полдер, первыми поняли, что энергию нулевых колебаний не всегда можно игнорировать. Ученые изучали силы, действующие между атомами, когда обнаружили, что их измерения не соответствуют предсказанным силам. В поиске объяснения Казимир пришел к выводу, что это влияние силы ничто.

Секрет силы Казимира заключен в природе волн. В Древней Греции Пифагор наблюдал странное поведение волн, бегущих по струне: некоторые ноты были разрешены, а другие запрещены. Когда Пифагор дергал струну, она издавала чистую ноту тона, известного как основной. Когда он осторожно прижимал пальцем середину струны и снова дергал, он получал другую чистую ноту, на одну октаву выше основной. Одна треть струны давала еще один чистый тон. Однако Пифагор обнаружил, что не все ноты позволены. Когда он прижимал струну в случайном месте, ему редко удавалось получить чистый тон. На струне можно сыграть только определенные ноты, большинство исключено (рис. 48).

Рис. 48. Запретные ноты на гитарной струне

От волн на струне не так уж отличаются волны в материи. Как гитарная струна не может издать любую ноту – некоторые волны для нее «запретны», так и некоторые волны частиц запретны для внутреннего объема коробочки. Если приложить друг к другу две металлические пластины, например, то между ними не удастся поместить любую частицу. Внутрь попадут только те из них, волны которых соответствуют размеру коробочки (рис. 49).

Рис. 49. Эффект Казимира

Казимир понял, что запретные волны частиц влияют на энергию нулевых колебаний вакуума, поскольку частицы повсюду возникают и исчезают.

Если вы поместите близко друг к другу металлические пластины, а между ними этим частицам появляться не позволено, то на внешней стороне пластин частиц окажется больше, чем на внутренней. Не уменьшившееся множество частиц давит на внешние стороны пластин, а поскольку на внутренних сторонах имеет место некомплект, пластины прижимаются друг к другу даже в глубоком вакууме. Это и есть сила вакуума, сила, созданная ничем, – эффект Казимира.

Хотя сила Казимира – таинственная фантомная сила, созданная ничем, напоминает научную фантастику, она существует. Эта сила очень мала и измерить ее трудно, но в 1995 году физик Стивен Ламоро напрямую измерил эффект Казимира. Поместив две позолоченные пластины на чувствительный прибор, измеряющий поворот, он определил, какую силу нужно приложить, чтобы противостоять действию силы на пластины Казимира. Ответ оказался следующим: вес примерно одной тридцатитысячной части муравья, что соответствовало теории Казимира. Ламоро измерил силу, прилагаемую пустым пространством.