Kunkuliuojantis vakuumo gyvenimas: kas yra, kai nieko nėra

Kas tai yra vakuumas? Iš esmė tai visiškas ko nors nebuvimas, tačiau ar viskas taip paprasta? Fizikas A. Koržimanovas papasakojo, kaip vakuume, nepaisant visiškos tuštumos, kunkuliuoja savas gyvenimas.

Viena iš įdomiausių šiuolaikinės fundamentaliosios fizikos problemų – kas yra mus supantis vakuumas. Žmonės ilgai manė (taip mus moko mokykloje) manė, kad vakuumas — tai tuštuma, vakuumas — tai, kai nėra visai nieko. Tačiau XX amžiuje atsirado kvantinės elektrodinamikos teorija. Remiantis ja, paaiškėjo, kad iš tiesų vakuumas nėra absoliuti tuštuma, jis turi tam tikrą struktūrą, jis nuolat verda, kunkuliuoja ir niekados nenusiramina.

Vaizdžiai tariant, vakuumas užpildytas nedidelėmis fluktuacijomis. Kiekvieną akimirką visuose vakuumo taškuose gimsta ir iškart, nespėjusios tapti realybe, miršta elektronų ir jų antidalelių, pozitronų, poros. Jos atsiranda ir iškart miršta, anihiliuoja. Tai vadinamosios virtualios poros. Ir nors jos gan silpnos ir jų įtaka mūsų gyvenimui menka, remiantis kvantine elektrodinamika, aplinkines daleles jos visgi šiek tiek veikia. Šis nedidelis poveikis gana greitai buvo aptiktas spektroskopijos metodais. Bet ligi šiol tai tėra netiesioginis tokių fluktuacijų egzistavimo įrodymas. Faktiškai nėra jokio tiesioginio būdo ištirti, kas tai yra.

Norėtųsi ištirti vakuumą ir jame vykstančias fluktuacijas, ir taip patikrinti kvantinės elektrodinamikos pamatus ir, galbūt, aptikti kokios nors naujos, iki šiol nežinomos, fizikos požymius. Deja, tokio instrumento dar nėra. Todėl turime tik netiesioginius fluktuacijų įrodymus. Tačiau prieš metus kažkokie efektai buvo aptikti tolimose neutroninėse žvaigždėse. Ten fluktuacijos irgi vyksta, o neutroninių žvaigždžių įtaka jas sustiprina.

Ši loginė grandinė gan paini. Reikia suprasti, kas yra neutroninė žvaigždė, kokie jos magnetiniai laukai, kokia spinduliavimo sandara. O neutroninių žvaigždžių niekas nelankė ir matė. Norėtųsi visa tai atlikti laboratorijoje. Ir štai, dabar stovime ant tokio prietaiso sukūrimo slenksčio — tai itin aukštos pikinės galios lazeriai.

Šiuolaikinėmis lazerių sistemomis galima sukurti vieno petavato – 10¹⁵ W, kvadrilijono vatų – galingumo spinduliavimą. Tai didžiulis skaičius. Sufokusavus tokį spinduliavimą į mažą plotą, lazerio sukurto spinduliavimo bangos elektromagnetiniai laukai ima artėti prie reikšmės, kai juos pradeda veikti šios fluktuacijos.

Teoriniai skaičiavimai rodo, kad dar šiek tiek padidinus lazerinių sistemų galią (galime tikėtis, kad tokia galia bus pasiekta per artimiausius 5–10 metų), spinduliavimas pradės veikti vakuumo fluktuacijas. Ir kas nutiks? Fluktuacijos yra tiesiog virtualios elektrono ir pozitrono poros. Kai tokia pora atsiduria stipriame elektriniame lauke – sufokusuoto lazerinio spinduliavimo lauke, – jis pradeda porą šiek tiek ištempti. Kadangi elektrono krūvis neigiamas, o pozitrono teigiamas, jie juda į priešingas puses. Todėl fluktuacijos pradeda šiek tiek keistis. Pradeda keistis paties vakuumo savybės. Tai gali pasireikšti įvairiais efektais. Pavyzdžiui, dėl sąveikos su tomis fluktuacijomis gali pasikeisti per vakuumą sklindančio sufokusuoto spinduliavimo poliarizacija – iš linijinės tapti elipsine. O tai jau galima pamatuoti, tam yra geri, patikimi metodai.

Bet yra ir įdomesnis efektas. Kas nutiks, jei tame vakuume, be lazerinio spinduliavimo, yra dar ir kokia nors dalelė, tarkime, visiškai atsitiktinai ten atsidūręs elektronas? Tai yra, šalia buvo atomas, atskriejo spinduliavimas ir elektriną iš atomo išplėšė. Šiam elektronui lazerio spindulio elektromagnetinė banga suteikia didžiulę energiją ir išspinduliuoja šviesos kvantą — didelės energijos kvantą.

O paskui vyksta štai kas. Tame pačiame lauke, toje pačioje elektromagnetinėje bangoje, fotonas sukuria jau realią elektrono ir pozitrono porą. Tai yra, ne fluktuacijas, kurios atsiranda ir išnyksta, o visiškai realūs elektronai ir pozitronai išsilaksto į priešingas puses. Ir kiekvienas iš jų pagreitėja iki didelių energijų, išspinduliuoja savo šviesos kvantą, savo fotoną, kuris irgi suyra į elektrono– pozitrono porą. Susidaro lavina. Iš vieno elektrono jų susidaro daugybė — kiekviename žingsnyje jų susidaro dvigubai daugiau.

Tikriausiai žinote pasakėčią apie šachą, kuriam parodytas šachmatų žaidimas labai patiko, ir jis norėjo apdovanoti išradėją. Šis paprašė apdovanojimą duoti grūdais – pirmame šachmatų lentos laukelyje vieną grūdą, antrame – du, trečiame – keturis ir taip toliau, kiekviename jų skaičių vis padvigubinant. Žodžiu, pasirodė, kad jau 10–20 langelyje grūdų būtų reikėję duoti daugiau, nei buvo visoje šalyje. Čia situacija analogiška. Faktiškai, labai sparčiai išsivysto lavina, ir susidaro daugybė elektronų–pozitronų porų.

Kaip tai atrodo? Iš visiškai tuščios erdvės, iš vakuumo, kur nėra nieko, tik vienas netyčia užklydęs atomas, sufokusavus ten šviesą, jos staiga randasi daugybė tūkstančius kartų tankesnės už tankiausią žinomą metalą, materijos. Toks efektas jau pats savaime labai vaizdingas ir ryškus. O be to, jis labai įdomus tiek fundamentaliojo, tiek ir taikomojo mokslo tyrimų objektas. Mat fokuse susidaranti plazma yra itin ryškus gama spinduliavimo šaltinis, kuriam nė iš tolo neprilygsta jokios dabar turimos technologijos.

O kur gama spinduliavimą galima panaudoti? Visų pirma, jį galima panaudoti vietoje rentgeno, darant nuotraukas medicinoje. Tai yra, „pasišviesdami“ gama šaltiniu, galime tyrinėti objektų vidinę struktūrą.

Kita kryptis – branduolinė fizika. Jei optinis spinduliavimas veikia atomo išorinių orbitalių elektronus, rentgeno spinduliai pasiekia gilesnius elektronų sluoksnius, tai gama spinduliai gali efektyviai veikti pačius atomų branduolius. Tai galima panaudoti, verčiant vienos medžiagos branduolius kitos medžiagos branduoliais. Gama spinduliais galime sukurti izotopus, kurių gamtoje nėra.

Tai svarbu tiek pačiai branduolinei fizikai, tiek ir branduolinei medicinai. Tokie izotopai gali būti pozitronų šaltiniai, naudojami pozitronų emisijos tomografijoje. Juos galima naudoti ir gydymui. Manau, žmonija taip jau surėdyta, ir ne kartą tai įrodė, kad bet kokį unikalių savybių objektą — o toks objektas, be jokios abejonės, būtų unikalus — anksčiau ar vėliau panaudoja savo naudai.

A. Koržimanov
fizikos matematikos mokslų kandidatas, IPF RAN vyresnysis mokslinis darbuotojas
postnauka.ru