Физика ноля

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

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

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. 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 = mc 2 . 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.

 

Релятивистский ноль: черная дыра

Ноль в квантовой механике насыщает вакуум бесконечной энергией. Ноль в другой великой современной теории — теории относительности — создает другой парадокс: бесконечное ничто черной дыры.

Как и квантовая механика, теория относительности была рождена светом. На этот раз трудности создала скорость света. Большинство объектов во Вселенной не имеют скорости, насчет которой были бы согласны все наблюдатели. Например, представьте себе маленького мальчика, который кидает камешки во все стороны. Наблюдателю, приближающемуся к мальчику, будет казаться, что камешки летят быстрее, чем тому, кто бежит прочь: скорость камешков выглядит зависящей от вашего направления движения и скорости. Аналогично скорость света должна была бы зависеть от того, бежите ли вы к источнику света или от него. В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдуард Морли попытались измерить этот эффект. Они были поражены, когда не обнаружили разницы: скорость света была одинаковой во всех направлениях. Как такое могло быть?

Ответ опять нашел молодой Эйнштейн в 1905 году. И опять очень простой вывод имел огромные последствия.

Первое заключение, сделанное Эйнштейном, представляется довольно очевидным. Эйнштейн указал, что если несколько человек наблюдают один и тот же феномен — скажем, полет ворона к дереву, — законы физики для всех наблюдателей одинаковы. Если вы сравните записи человека, стоящего на земле, и того, кто едет в поезде, двигающемся параллельно полету ворона, они разойдутся во мнениях относительно скорости ворона и дерева. Однако окончательный исход полета будет тем же: через несколько секунд ворон долетит до дерева. С этим согласятся оба наблюдателя, хотя они могут не согласиться насчет некоторых деталей. Это принцип относительности. (В специальной теории относительности, которую мы здесь обсуждаем, существуют ограничения в отношении того, какой вид движения позволителен. Каждый наблюдатель должен двигаться с постоянной скоростью по прямой. Другими словами, они не должны испытывать ускорения. В общей теории относительности эти ограничения устранены.)

Второе заключение несколько более озадачивает, особенно из-за того, что оно кажется противоречащим принципу относительности. Эйнштейн предположил, что все — с какой бы скоростью они ни двигались — согласны с тем, что скорость света в вакууме составляет 300 миллионов метров в секунду. Это константа, обозначаемая буквой c. Если кто-то посветит на вас фонариком, свет кинется на вас со скоростью c. Не имеет значения, стоит ли тот, кто держит фонарик, неподвижно, бежит к вам или бежит прочь. Луч света с вашей точки зрения — и с точки зрения всех остальных — всегда движется со скоростью c.

Это заключение бросало вызов всему, что физики считали правильным в отношении движения тел. Если бы ворон вел себя так же, как фотон, то наблюдатель в поезде и человек, стоящий неподвижно, одинаково оценивали бы скорость ворона. Это означало бы, что они разойдутся во мнениях относительно того, когда ворон доберется до дерева (рис. 50). Эйнштейн понял, что обойти это препятствие можно одним путем: считая, что течение времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя. Часы в поезде могли тикать медленнее, чем часы у стоящего человека. То, что было бы для него десятью секундами, для едущего на поезде могло бы показаться всего пятью. То же самое происходит с путешественником, удаляющимся на огромной скорости. Каждый щелчок его секундомера длился бы дольше секунды по часам неподвижного наблюдателя. Если астронавт совершит двадцатилетнее (по его часам) путешествие при скорости в девять десятых световой, он вернется на Землю, постарев на 20 лет, но для всех, кто оставался на Земле, пройдет 46 лет.

Рис. 50. Постоянная скорость ворона означает, что время относительно

Не только течение времени меняется со скоростью, то же происходит с длиной и массой. По мере увеличения скорости тела оно делается короче и тяжелее. При скорости в девять десятых световой линейка в один ярд станет всего 0,44 ярда длиной, а фунтовый пакет сахара будет весить 2,3 фунта, с точки зрения неподвижного наблюдателя. (Конечно, это не значит, что вы сможете на том же пакете сахара испечь больше печенья. С точки зрения пакета, его вес остается неизменным.)

В такую изменчивость времени, может быть, трудно поверить, однако ее наблюдали. Когда субатомная частица движется очень быстро, она живет до распада дольше, чем ожидалось, потому что ее часы идут медленнее. Также очень точные часы едва заметно отстают при полете в самолете с большой скоростью. Теория Эйнштейна работает. Впрочем, существует потенциальная проблема: ноль.

Когда космический корабль достигнет скорости света, время на нем будет все больше и больше замедляться. Если кораблю удастся достичь скорости света, каждая секунда на борту будет равна бесконечному числу секунд на Земле. За долю секунды будут проходить миллиарды и миллиарды лет, Вселенная проживет свой срок и сгорит. Для астронавта на борту такого корабля время остановится. Длительность будет умножена на ноль.

К счастью, остановить время не так легко. По мере все большего роста скорости время все больше и больше замедляется, но одновременно все больше растет масса космического корабля. Это все равно что катить детскую коляску, в которой младенец все растет и растет. Очень скоро вам придется катить борца сумо, что не так легко. Если вам удастся разогнать коляску еще больше, младенец станет весом с автомобиль… потом с военный корабль… потом с планету… потом со звезду… потом с галактику. По мере того как младенец становится массивнее, ваши усилия дают все меньший и меньший результат. Точно так же вы можете взять космический корабль и разогнать его, все больше приближая его скорость к скорости света. Однако через некоторое время он станет слишком массивен, чтобы разгонять его еще больше. Космический корабль, да и любой объект, обладающий массой, никогда не сможет достичь скорости света. Скорость света — абсолютный предел, достичь его нельзя, уж не говоря о том, чтобы превзойти. Природа защищает себя от неуправляемого ноля.

Впрочем, ноль слишком силен даже для природы. Когда Эйнштейн расширил теорию относительности так, чтобы она включала гравитацию, он не подозревал, что его новые уравнения — общая теория относительности — описывают окончательный ноль и самую худшую из бесконечностей — черную дыру.

В уравнениях теории Эйнштейна пространство и время представлены как различные аспекты одного и того же. Мы уже знали, что ускорение изменяет характер перемещения в пространстве: скорость движения либо увеличивается, либо уменьшается. Новым в уравнениях Эйнштейна было то, что ускорение изменяет не только характер перемещения в пространстве, но и течение времени: оно может ускоряться или замедляться. Таким образом, когда вы придаете ускорение телу, подвергая его действию какой-либо силы (будь это сила тяготения или толчок огромного космического слона), вы меняете характер его перемещения в пространстве и течение на нем времени, иначе говоря, характер перемещения его в пространстве-времени.

Такую концепцию трудно усвоить. Самый простой способ приблизиться к пониманию пространства-времени — через аналогию, представив себе пространство-время как гигантское резиновое полотно. Планеты, звезды и все прочее располагаются на этом полотне, слегка его деформируя. Искривление полотна, порожденное этими объектами, — гравитация. Чем массивнее объект, находящийся на полотне, тем сильнее искривление и больше углубление вокруг объекта и тем больше их стремление туда скатываться.

Кривизна резинового полотна — это не только кривизна пространства, но и кривизна времени тоже. Как пространство искривляется вблизи массивного объекта, так искривляется и время. Оно течет тем медленнее, чем сильнее искажение. То же самое происходит с массой. Когда вы попадаете в сильно искривленные районы пространства, масса тела увеличивается. Этот феномен известен как возрастание массы.

Эта аналогия объясняет орбиты планет: Земля просто катается по вмятине, которую Солнце делает в резиновом полотне. Свет не распространяется по прямой, а идет по искривленному пути вокруг звезд. Чтобы наблюдать этот эффект, британский астроном сэр Артур Эддингтон в 1919 году отправился в экспедицию. Эддингтон определил положение звезды в момент солнечного затмения и обнаружил кривизну, предсказанную Эйнштейном (рис. 51).

Рис. 51. Гравитация искривляет луч света вокруг Солнца

Уравнения Эйнштейна предсказали кое-что и более зловещее: черную дыру, звезду, имеющую настолько большую плотность, что даже свет не может преодолеть ее тяготение.

Черные дыры начинают жизнь, как и все звезды, в виде большого шара раскаленного газа, в основном водорода. Если бы на него ничто больше не воздействовало, достаточно большой шар коллапсировал бы под действием собственной гравитации, сжавшись до небольшого объема. К счастью для нас, коллапса не происходит потому, что действует другая сила: ядерный синтез. По мере того как газ сжимается, он делается горячее и плотнее, и атомы водорода с возрастающей силой сталкиваются друг с другом.

В конце концов звезда делается такой раскаленной и плотной, что атомы водорода липнут друг к другу и сливаются, образуя гелий и выделяя огромное количество энергии. Эта энергия изливается из центра звезды, заставляя ее немного расшириться. Большую часть своей жизни звезда находится в состоянии устойчивого равновесия: стремление сжаться под действием собственной гравитации уравновешивается энергией ядерного синтеза в центре звезды.

Это равновесие не может сохраняться вечно: звезда обладает лишь ограниченным количеством водородного горючего. Через какое-то время реакция синтеза ослабевает, и равновесие оказывается нарушенным. Как долго длится этот процесс, зависит от размера звезды. По иронии судьбы, чем больше звезда (чем большим запасом водорода она обладает), тем короче ее жизнь, потому что ядерная реакция протекает более бурно. У Солнца осталось топлива примерно на 5 миллиардов лет, но пусть это вас не успокаивает. Температура Солнца будет постепенно повышаться перед концом, вскипятив океаны Земли и сделав ее такой же непригодной для жизни, как Венера. Нам еще повезет, если жизни на Земле отведен миллиард лет. После продолжительной серии предсмертных судорог — точный порядок событий зависит от массы звезды — двигатель ядерного синтеза прекращает работать, и наступает коллапс под действием гравитации.

Закон квантовой механики, именуемый принципом запрета Паули, не дает материи сжаться в точку. Открытый в середине 1920-х годов немецким физиком Вольфгангом Паули, принцип запрета гласит, грубо говоря, что никакие два предмета не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. В частности, никакие два электрона с одним и тем же квантовым состоянием не могут находиться в одной точке. В 1933 году индийский физик Субраманьян Чандрасекар понял, что принцип запрета Паули обладает лишь ограниченной способностью бороться с гравитацией.

По мере увеличения давления внутри звезды в соответствии с принципом запрета электроны должны двигаться все быстрее и быстрее, чтобы избегать друг друга. Однако существует предел скорости: электроны не могут превысить скорость света, так что если давление на материю возрастает, электроны не могут двигаться достаточно быстро, чтобы предотвратить коллапс. Чандрасекар показал, что коллапсирующая звезда с массой примерно 1,4 массы Солнца обладает достаточной гравитацией, чтобы преодолеть барьер, устанавливаемый принципом Паули. Электроны в звезде, масса которой превышает предел Чандрасекара, не могут помешать ее коллапсу. Сила тяготения так велика, что электроны прекращают сопротивление: они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Массивная звезда кончает тем, что превращается в гигантский шар нейтронов: нейтронную звезду.

Дальнейшие вычисления показали, что когда звезда немного массивнее, чем требует предел Чандрасекара, давление получившихся в результате нейтронов — сходное с давлением электронов — может на некоторое время отсрочить коллапс. Это и происходит в нейтронной звезде. Достигнув этой точки, звезда оказывается настолько плотной, что каждая чайная ложка ее вещества весит сотни миллионов тонн. Впрочем, существует предел, которого не выдерживает даже давление нейтронов. Некоторые астрофизики считают, что еще большее сжатие заставляет нейтроны распадаться на компоненты-кварки, в результате чего образуется кварковая звезда. Однако это последний оборонный рубеж. После этого и начинается кавардак.

Когда очень массивная звезда коллапсирует, она исчезает. Гравитация настолько велика, что физики не знают ни одной силы во Вселенной, способной остановить коллапс — ни сопротивление электронов, ни давление нейтронов или кварков на это не способны. Умирающая звезда делается все меньше и меньше. Потом… наступает ноль.

Звезда сжимается до нулевого объема. Это и есть черная дыра, объект настолько парадоксальный, что некоторые ученые думают, что с ее помощью можно путешествовать быстрее света и обратно во времени.

Ключом к странным свойствам черной дыры служит то, как она искривляет пространство и время. Черная дыра не занимает никакого пространства, но обладает массой. Поскольку она обладает массой, она искривляет пространство-время. На самом деле проблема не в этом. По мере приближения к тяжелой звезде кривизна становится все больше и больше, но как только вы минуете внешнюю границу самой звезды, кривизна опять уменьшается, достигая наименьшей величины в центре звезды. В противоположность этому черная дыра — точка. Она занимает нулевое пространство, так что не имеет внешней границы, того места, где пространство снова начинает распрямляться. Кривизна пространства по мере приближения к черной дыре становится все больше и больше, никогда не достигая предела. Кривизна стремится к бесконечности, потому что черная дыра занимает нулевое пространство. Звезда образует разрыв в пространстве-времени (рис. 52). Ноль черной дыры — сингулярность, открытая рана в ткани Вселенной.

Это очень тревожащая концепция. Гладкая, непрерывная ткань пространства-времени может иметь разрывы, и никто точно не знает, что происходит в окрестности таких звезд. Эйнштейн был так смущен идеей сингулярностей, что отрицал существование черных дыр. Он ошибался: черные дыры существуют. Однако сингулярность черной дыры так отвратительна, так опасна, что природа пытается скрыть ее, не позволяет никому увидеть ноль в центре черной дыры и вернуться, чтобы рассказать об увиденном. У природы есть «космический цензор».

Рис. 52. В отличие от других звезд черная дыра разрывает пространство-время

Этот цензор — гравитация. Если вы кинете вверх камень, он упадет вниз под влиянием земного притяжения. Однако если вы кинете камень достаточно быстро, он не упадет на землю, он вырвется за пределы атмосферы и ускользнет от земной гравитации. Примерно так поступает НАСА, отправляя корабль к Марсу. Минимальная скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он вырвался из-под власти притяжения, называется скоростью убегания. Черные дыры обладают такой высокой плотностью, что если вы приблизитесь к ним слишком близко (за так называемый горизонт событий), то скорость убегания превысит скорость света. За горизонтом событий притяжение черной дыры настолько сильно и пространство настолько искривлено, что ничто не может вырваться наружу, даже свет.

Хотя черная дыра — это звезда, ее свет никогда не минует пределов горизонта событий, поэтому она и называется черной. Единственный способ увидеть сингулярность черной дыры — проникнуть за горизонт событий и посмотреть на нее собственными глазами. Впрочем, даже если бы у вас был невероятно прочный скафандр, который не дал бы вам превратиться в астронавта-спагетти, вы никогда не сможете никому рассказать о том, что увидели. Как только вы пересечете горизонт событий, никакие ваши сигналы (и вы сами) не смогут вырваться из гравитационной ловушки черной дыры. Переместиться за горизонт событий — все равно что сделать шаг за границу Вселенной. Вы никогда не сможете вернуться. Такова власть космического цензора.

Несмотря на то, что природа скрывает сингулярность черной дыры, ученые знают, что она существует. В направлении созвездия Стрельца, в самом центре нашей Галактики, находится супермассивная черная дыра, вес которой равен весу 4,5 миллиона Солнц. Астрономы наблюдают, как звезды танцуют вокруг этого невидимого партнера. Движение звезд выдает присутствие черной дыры, хотя она и невидима. Впрочем, даже будучи способными обнаруживать черные дыры, ученые так и не выявили нолей в их центре, потому что эти ужасные сингулярности скрыты за горизонтом событий.

Это и к лучшему. Если бы не было горизонта событий, не было космического цензора, прячущего сингулярности от остальной Вселенной, могли бы произойти очень странные события. Теоретически голая сингулярность без горизонта событий могла бы позволить путешествовать быстрее света или перемещаться обратно во времени. Этого можно было бы достичь с помощью структуры, названной кротовой норой.

Если вернуться к аналогии резинового полотна, сингулярность — это точка, где пространство имеет бесконечную кривизну, это разрыв в ткани пространства-времени. При определенных условиях разрыв может быть растянут. Например, если черная дыра вращается или имеет электрический заряд, сингулярность, по расчетам математиков, оказывается не точкой (проколом в пространстве-времени), а кольцом. Физики предполагают, что две такие растянутые сингулярности могут быть соединены туннелем: кротовой норой (рис. 53). Тот, кто будет путешествовать по кротовой норе, вынырнет в другой точке пространства, а может быть, и времени. Точно так же, как кротовая нора может отправить вас в мгновение ока через половину Вселенной, она может переместить вас назад или вперед во времени (см. Приложение E). Вы могли бы даже выследить свою мать и убить ее до того, как она повстречает вашего отца, что помешало бы вам родиться и создать ужасный парадокс.

Рис. 53. Кротовая нора

Кротовая нора — парадокс, порожденный нолем в уравнениях общей теории относительности. Никто на самом деле не знает, существуют ли кротовые норы, однако НАСА надеется, что это так.

 

Кое-что за ничто?

НАСА питает надежду, что ноль может открыть секрет путешествий к далеким звездам. В 1992 году НАСА провело симпозиум, названный «Физика третьего тысячелетия», на котором ученые обсуждали особенности кротовых нор, скачки сквозь пространство, двигатели, использующие энергию вакуума и другие нетрадиционные идеи.

Проблема космических путешествий связана с тем, что не от чего отталкиваться. Когда вы плаваете в бассейне, вы отталкиваетесь от воды, заставляя ее отступать назад и двигать вас вперед. Когда вы идете по земле, ваши ноги отталкиваются от почвы, создавая продвигающую вас вперед силу. В космосе отталкиваться не от чего, вы можете сколько угодно грести, но это ничего вам не даст.

Ракеты несут собственный запас вещества, от которого могут отталкиваться. Топливо ракеты сгорает в двигателе и выбрасывается назад, двигая космический корабль вперед, так же, как дуновение воздуха из воздушного шарика заставляет его летать по комнате. Однако выброс топлива — очень дорогой и трудный способ передвижения, и даже современные улучшения химических двигателей, такие как использование электричества для выброса вещества из дюз ракеты, не могут обеспечить достаточную энергию для того, чтобы космические зонды могли достичь далеких звезд за приемлемое время. Чтобы добраться даже до ближайшей звезды, вам понадобилось бы чудовищное количество топлива — огромные затраты.

Физик Марк Миллис, глава проекта НАСА «Физика прорыва в реактивном движении», надеется преодолеть эту трудность благодаря физике ноля. К несчастью, ноли черных дыр — сингулярности — в ближайшее время представляются маловероятными кандидатами. Не только чрезвычайно трудно создать голую сингулярность, требующуюся для кротовой норы. Есть вероятность, что такая сингулярность разорвет космического путешественника в клочья. В 1998 году двое физиков из Еврейского университета в Иерусалиме показали, что даже вращающаяся или электрически заряженная черная дыра — с прекрасной кольцевой сингулярностью — благодаря нарастанию массы убьет космонавта. По мере вашего приближения к сингулярности масса черной дыры увеличивается, и увеличивается до бесконечности. Гравитация делается такой сильной, что вы в долю секунды будете разорваны на части. Кротовые норы опасны для здоровья.

Даже если ноли в центре черной дыры не обеспечат легкого способа перемещаться через пространство, ноль квантовой механики предлагает альтернативу: энергия нулевых колебаний может оказаться неисчерпаемым топливом. Именно здесь заканчивается физика мейнстрима и начинается граница.

В соответствии с взглядами Миллиса, астронавты могли бы использовать энергию вакуума для движения корабля, как моряки использовали энергию ветра для движения парусников. «Я провожу аналогию с эффектом Казимира, когда пластины могут соединяться благодаря заметному давлению радиации извне, — говорит он. — Если бы существовал способ извлечь из этого асимметричную силу, действующую в одном направлении и не действующую в другом, это можно было бы использовать как движитель». К сожалению, до сих пор эффект Казимира проявлялся только симметрично: обе пластины притягивались друг к другу — действие одной было равным и противоположно направленным по отношению к действию другой. Однако если бы существовало нечто подобное квантовому парусу, одностороннее зеркало, которое отражало бы виртуальные частицы от одной стороны и позволяло им беспрепятственно проходить сквозь другую, энергия вакуума толкала бы объект в сторону неотражающей поверхности паруса. Миллис признает, что никто не знает, как этого добиться. «Нет теорий того, как создать подобный агрегат», — печально говорит он.

Проблема заключается в том, что в соответствии с законами физики нельзя получить нечто из ничего. Как паруса фрегата снижают скорость ветра, так и квантовый парус понизил бы энергию вакуума. Как можно изменить ничто?

Гарольд Путофф, директор Института перспективных исследований в Остине (Техас), полагает, что квантовый парус просто изменит свойства вакуума. (Путофф больше всего известен своей статьей 1904 года в журнале Nature и попыткой доказать, что Ури Геллер и другие физики могли наблюдать предметы на расстоянии — без участия зрения. Это заключение не соответствовало мейнстриму науки.) «Вакуум распадается к немного более низкому уровню», — говорит Путофф. Если так, то квантовые паруса — это лишь начало; станет возможным создание двигателей, работающих только на энергии нулевых колебаний. Единственным их недостатком, возможно, является истончение ткани Вселенной, но очень медленное. «Никто и не почувствует. Это все равно, что зачерпнуть чашку воды из океана», — говорит Путофф. Тем не менее угроза для Вселенной имеется.

Нет сомнения в том, что вакуум обладает энергией — об этом свидетельствует сила Казимира. Однако возможно ли, что энергия вакуума представляет собой самый низкий уровень энергии? Если нет, то в вакууме может крыться опасность. В 1983 году двое ученых в журнале Nature высказали предположение, что использование энергии вакуума может привести к самоуничтожению Вселенной. В статье говорилось о том, что наш вакуум может быть «ложным» вакуумом в неестественном энергетическом состоянии — как мяч, неустойчиво лежащий на склоне холма. Если мы дадим вакууму достаточно сильный толчок, «мяч» может покатиться вниз по склону, стремясь к состоянию с более низкой энергией, и мы окажемся не в силах его остановить. Может образоваться огромный пузырь, растущий со скоростью света. Высвобожденная при этом энергия чревата неслыханными разрушениями. Катастрофа может оказаться такой ужасной, что все атомы будут разорваны на части.

К счастью, это совершенно фантастический сценарий. Наша Вселенная существует миллиарды лет, и невероятно, чтобы мы жили в таком неустойчивом состоянии. Столкновения космических лучей, вероятно, уже достаточно «воспламенили» вакуум, чтобы вызвать такую катастрофу, будь она возможна. Это не мешает некоторым энтузиастам — в том числе физикам — пикетировать лаборатории, работающие с высокими энергиями, как, например, Фермилаб (Национальную ускорительную лабораторию им. Энрико Ферми, США). Они опасаются, что обладающее высокой энергией столкновение частиц может привести к коллапсу вакуума. Даже если бы их опасения были обоснованы, представляется практически невозможным ускорить космический корабль с помощью энергии нулевых колебаний. Тем не менее Путофф полагает, что у него есть способ извлечь энергию из пустоты.

Теоретически ученые могут получать энергию в результате эффекта Казимира даже при абсолютном ноле в самом глубоком вакууме космоса. Две пластины, смыкаясь, выделяют тепло, которое может быть преобразовано в электричество. Увы, пластины нужно снова разъединять, на что требуется больше энергии, чем было произведено. Большинство ученых считают, что этот факт убивает идею создания вечного двигателя, питающегося энергией вакуума. Однако Путофф считает, что видит несколько путей преодолеть это препятствие. Одним из них является использование вместо пластин плазмы.

Плазма (газ из заряженных частиц), подобно металлическим пластинам, подвержена эффекту Казимира. Проводящий цилиндр из газа сжимался бы под действием флуктуаций нулевого уровня, как и пластины. Сжатие нагрело бы плазму, что привело бы к выделению энергии. В отличие от металлических пластин, плазму, по мнению Путоффа, легко получить с помощью электрического разряда.

Вместо того чтобы снова разъединять пластины, плазменный «пепел» можно просто отбросить. Путофф осторожно сообщает о том, что этим методом получил в 30 раз больше энергии, чем было затрачено. «Имеются определенные свидетельства, мы даже получили патент», — заявляет он. Впрочем, устройство Путоффа — одно в длинном ряду машин «бесплатной энергии», ни одна из которых в прошлом не выдержала научной проверки. Маловероятно, что механизм для использования энергии нулевых колебаний постигнет иная участь.