Новости науки14.11.01. Как пощупать "пустоту".

И с физической, и с философской точки зрения сложно найти более загадочное понятие, чем "пустота" (назовем ли мы ее вакуумом или Ничто). Но в отличие от философского Ничто физический вакуум - вещь "живая" и вполне ощутимая в эксперименте (и даже вполне "проблемная" с прикладной точки зрения ). В сильных внешних полях вакуум находится в неустойчивом состоянии и исследование вакуума в таком состоянии представляет собой интересную физическую задачу. В статье группы американских и немецких ученых [1] теоретически рассматривается возможность применения создающихся мощных рентгеновских лазеров на свободных электронах для наблюдения генерации электрон-позитронных пар, являющейся следствием неустойчивости вакуума.

Одним из наиболее наглядных проявлений нетривиальной природы "пустоты" является эффект Казимира, связанный с изменением спектра нулевых колебаний при появлении определенных граничных условий (конечности объема квантования). В простейшем случае это проявляется в существовании притяжения между двумя параллельными металлическими пластинами в вакууме, что было экспериментально показано более сорока лет назад. Кстати, если стационарный эффект Казимира исследуется экспериментально уже давно, то его нестационарный тезка так и не был наблюден до сих пор. Как уже было сказано, граничные условия (экспериментально, например, два металлических зеракала, образующие резонатор) определяют собственные частоты нулевых колебаний. Теория предсказывает, что при резком изменении параметров системы (изменении расстояния между зеркалами), вследствии "встряски" и изменения собственных частот нулевых колебаний, должны рождаться фотоны. (Эффект изменения частот можно понять с помощью "школьной" аналогии: частота колебаний маятника (шарик на ниточке) определяется длиной нити и массой шарика; если мы резко изменим параметры системы, перехватив пальцами нить, частота колебаний поменяется.) Однако экспериментальное наблюдение нестационарного эффекта Казимира затруднено тем обстоятельством, что изменение параметров резонатора не должно быть адиабатически медленным, т.е. в реальности должно происходить очень быстро (за времена порядка фемтосекунд).

Нестабильность вакуума имеет место и в сильных полях. Например, неустойчивость вакуума в поле тяготения черной дыры приводит к рождению из вакуума частиц и античастиц, которые, улетая, уносят с собой энергию черной дыры (квантовое испарение черной дыры). В сильном электрическом поле вакуум также неустойчив и в полях напряженностью более 10¹⁸ В/м должны рождаться электрон-позитронные пары. В настоящее время в США и Германии создаются мощные рентгеновские лазеры на свободных электронах, которые должны обеспечить электрические поля напряженностью более 10¹⁷ В/м в максимумах интенсивности лазерного поля. Группа немецких и американских ученых теоретически рассмотрела возможность использования создающихся установок для наблюдения неустойчивости вакуума под действием электрического поля рентгеновских лазеров. Результаты расчетов показывают, что если планируемые параметры строящихся установок будут реализованы, то можно будет наблюдать рождение электрон-позитронных пар из вакуума, хотя число генерируемых пар будет на три порядка меньше, чем если бы была достигнута критическая величина электрического поля. Такая ситуация, в принципе, проще для интерпретации, поскольку в "закритических" полях должно образовываться столь значительное число пар, что возникает "дополнительное" мощное поле, связанное с созданными заряженными частицами, и вступают в игру коллективные эффекты (предположительно связанные с рождением электрон-позитронных пар плазменные осцилляции наблюдаются в мощных ускорителях со встречными пучками ионов).

1. R.Alkofer, M.B.Hecht, C.D.Roberts et al. Phys.Rev.Lett. v.87, 193902 (2001).

перейти к началу страницы