Невероятная история пустоты: от «horror vacui» до квантовой физики

Аристотель говорил, что природа ненавидит пустоту, знаменитый «horror vacui», и на протяжении веков никто не осмеливался ему противоречить: считалось, что если появится пустота, материя немедленно ее заполнит. Но если сегодня вы сделаете глубокий вдох, то воспользуетесь вакуумом, чтобы выжить: ваши легкие используют тот факт, что воздух, хотя и невидим, но полон молекул, которые перемещаются из одного места в другое. Все думают, что пустота — это противоположность материи, абсолютное ничто. Удивительно то, что чем дальше развивается физика, тем больше мы обнаруживаем, что пустота наполнена вещами, и что это один из ключей к пониманию Вселенной. Четыре века назад Галилей столкнулся с ограничением: с помощью водяных насосов вода в колодцах поднималась не более чем на 10 метров. Почему? Его ученик Торричелли придумал эксперимент с ртутной трубкой: при переворачивании ртуть опускалась вниз, оставляя сверху прозрачное пространство — знаменитый «вакуум Торричелли». Но этот зазор был вызван не всасыванием, а весом воздуха: атмосфера давила снаружи и удерживала столб. Так появился барометр и уверенность в том, что воздух имеет вес. Паскаль подтвердил это в 1648 году, когда его шурин поднял барометр на вершину Пюи-де-Дом и увидел, что чем выше высота, тем ниже давление: атмосфера конечна, а не бесконечна. Затем появился Отто фон Герике, который в 1654 году взял два металлических полушария, удалил из них воздух и попросил две упряжки лошадей тянуть их в противоположных направлениях. Даже так им не удалось разделить полушария, потому что вакуум внутри них приводил к тому, что атмосферное давление удерживало их вместе. Бойль и Гук усовершенствовали вакуумные насосы: Бойль звонил в колокола, зажигал свечи и помещал животных в сосуды без воздуха. Колокол не звенел, свеча гасла, а мыши не дышали. Вакуум перестал быть лишь философской идеей и стал осязаемой реальностью — он даже послужил источником вдохновения для таких картин, как «Эксперимент с птицей в вакуумной помпе» Джозефа Райта из Дерби. Позднее вакуум стал незаменимым для науки: без вакуумных трубок Рентген не смог бы открыть рентгеновские лучи в 1895 году, потому что электроны проходят через эти трубки только при почти полном отсутствии воздуха. Но настоящий прорыв произошел с появлением квантовой физики. С классической точки зрения вакуум означает отсутствие материи. В квантовой теории поля, напротив, вакуум представляет собой самое низкое энергетическое состояние фундаментальных полей, и при этом он полон активности: квантовых флуктуаций, пар виртуальных частиц, которые появляются и исчезают в одно мгновение. Их нельзя увидеть, но можно увидеть их последствия. Яркий пример: эффект Казимира, предсказанный в 1948 году и измеренный в 1997 году. Если поместить две металлические пластины почти вплотную друг к другу в вакуум, квантовые флуктуации между ними будут меньше, чем снаружи. В результате таинственное давление отталкивает пластины, как будто вакуум оказывает на них силу. Это похоже на струну скрипки: в зависимости от того, как вы ее держите, вибрируют только определенные ноты. Таким образом, квантовый вакуум обладает реальными физическими свойствами. Сегодня вакуум лежит в основе самой современной физики: поле Хиггса, которое придает массу частицам; космологическая постоянная, которая приводит в движение ускоренное расширение Вселенной; и квантовая электродинамика, одна из самых точных теорий в истории. Ирония заключается в том, что Аристотель ошибся в деталях, но был прав в главном: пустота никогда не была просто ничем, а скрытым действующим лицом реальности. Теперь подумайте вот о чем: в следующий раз, когда вы увидите кажущееся пустым пространство, помните, что оно может быть наполнено физикой в большей степени, чем что-либо видимое. Если после прослушивания этой истории вы почувствуете, что ваше представление о пустоте изменилось, в Lara Notes вы можете отметить это с помощью I'm In — это не «лайк», а способ сказать: теперь эта точка зрения стала вашей. А если вы расскажете кому-нибудь историю о магдебургских полушариях или эффекте Казимира, вы можете отметить это с помощью функции Shared Offline: так вы сохраните беседу, которая делает науку реальной. Этот контент взят из The Conversation, и благодаря этой заметке вы сэкономили почти четыре минуты чтения.