Используя неограниченную энергию вакуума в космосе, мы наконец сможем достичь скорости света

 Невидимая вакуумная энергия окружает нас повсюду. Мы могли бы использовать ее для приведения в движение, улучшения наноструктур и создания левитирующих устройств.

Фото: popularmechanics.com

Идея эксперимента Хендрика Казимира была проста: поднести два металлических предмета очень близко друг к другу и подождать. Самопроизвольно, как по волшебству, предметы сближаются. Никаких внешних сил, никаких толчков или притяжений, никакого действия гравитации, напряжения или магнетизма. Объекты просто приближаются. Причина? Неограниченный источник вибрации, находящийся в самом вакууме пространства-времени.

Этот знаменательный эксперимент, впервые разработанный Казимиром сразу после Второй мировой войны и реализованный только 25 лет назад, проложил ученым возможность стать свидетелями проявления квантовой теории реальным, практическим способом. Квантовые поля и их вибрации лежат в основе нашего современного понимания физики, от субатомных взаимодействий до эволюции всей Вселенной. И благодаря работе Казимира мы узнали, что бесконечная энергия пронизывает космический вакуум. Во вселенной научной фантастики существует множество идей, предлагающих использовать энергию вакуума для питания звездолетов или других продвинутых видов движения, таких как варп-двигатель. Хотя эти идеи все еще остаются мечтами, факт остается фактом: простой эксперимент, изобретенный в 1948 году, поджег наше воображение и наше понимание Вселенной.

Казимир, голландский физик, учился в аспирантуре у своего научного руководителя Нильса Бора, одного из крестных отцов квантовой физики, и проникся симпатией к этой новой, необычной теории космоса. Но по мере развития квантовой теории она начала делать чрезвычайно странные утверждения о Вселенной. Квантовый мир странен, и его крайняя странность обычно невидима для нас, поскольку он действует на масштабах, значительно превышающих наше обычное человеческое восприятие или экспериментирование. Казимир начал задаваться вопросом, как мы могли бы проверить эти идеи.

Далее он открыл хитрый способ измерения эффектов вездесущих бесконечных квантовых полей, просто используя кусочки металла, удерживаемые очень близко друг к другу. Его работа показала, что квантовое поведение может проявляться удивительными способами, которые мы можем измерить. Оно также показало, что странность квантового поведения реальна и ее нельзя игнорировать, и что тому, что говорит квантовая механика о работе Вселенной, — каким бы странным оно ни было — нужно верить.

Квантовые поля потусторонние, но вполне реальные

Один из уроков квантового мира заключается в том, что частицы, такие как электроны, фотоны, нейтрино и тому подобное, не являются тем, чем кажутся. Напротив, каждая из частиц, которые мы видим в природе, на самом деле является лишь частью гораздо более крупной и грандиозной сущности. Эти более грандиозные сущности известны как квантовые поля, и поля впитывают каждый кусочек пространства и времени — по всей Вселенной — точно так же, как масло и уксус пропитывают кусок хлеба.

Для каждого вида частиц существует квантовое поле: одно поле для электронов, другое для фотонов и так далее. Эти поля невидимы для нас, но они составляют фундаментальные строительные блоки существования. Они постоянно вибрируют и гудят. Когда поля вибрируют с достаточной энергией, появляются частицы. Когда поля затухают, частицы исчезают. Другой способ взглянуть на это — сказать, что то, что мы называем «частицей», на самом деле является локализованной вибрацией квантового поля. Когда взаимодействуют две частицы, на самом деле это просто две части квантовых полей, взаимодействующих друг с другом.

Настоящего вакуума не существует; куда бы вы ни пошли, всегда есть вибрирующие квантовые поля.

Эти квантовые поля всегда вибрируют, даже если эти вибрации недостаточно сильны, чтобы создать частицу. Если вы возьмете коробку и вытряхните из нее все содержимое — все электроны, все фотоны, все нейтрино, все остальное — коробка все равно будет заполнена этими квантовыми полями. Поскольку эти поля вибрируют даже изолированно, это означает, что ящик наполнен невидимой энергией вакуума, также известной как энергия нулевой точки, — энергией этих фундаментальных вибраций.

На самом деле, можно посчитать, сколько вибраций в каждом из этих квантовых полей… и ответ — бесконечность! Есть маленькие, средние, большие и гигантские, все они непрерывно плюхаются друг на друга, как будто само пространство-время кипит на субатомном уровне. Это означает, что вакуум Вселенной действительно из чего-то состоит. Настоящего вакуума не существует; куда бы вы ни пошли, всегда есть вибрирующие квантовые поля.

Простой эксперимент с участием нескольких бесконечностей

Вот тут-то и пригодится эксперимент Казимира: если вы возьмете две металлические пластины и приклеите их очень, очень близко друг к другу, квантовые поля между этими пластинами должны вести себя определенным образом: длины волн их вибраций должны идеально совпадать между пластинами, точно так же, как Вибрации гитарной струны должны соответствовать длине волны длине струны. В квантовом случае между пластинами по-прежнему существует бесконечное число вибраций, но — и это крайне важно — между пластинами не так много бесконечных вибраций, как вне пластин.

Какой в этом смысл? В математике не все бесконечности одинаковы, и мы разработали умные инструменты, позволяющие их сравнивать. Например, рассмотрим один из видов бесконечности, в котором вы добавляете друг к другу последовательные числа. Вы начинаете с 1, затем добавляете 2, затем добавляете 3, затем добавляете 4 и так далее. Если вы будете продолжать это добавление вечно, вы достигнете бесконечности. Теперь рассмотрим другой вид сложения, на этот раз со степенью 10. Вы начинаете со 101, затем добавляете к нему 102, затем 103, затем 104 и продолжаете.

Опять же, если вы будете продолжать эту серию вечно, вы также достигнете бесконечности. Но в каком-то смысле вы быстрее «доберетесь» до бесконечности. Таким образом, осторожно вычитая эти две последовательности, вы можете оценить их разницу, даже если они обе стремятся к бесконечности.

Используя этот хитрый математический прием, мы можем вычесть два вида бесконечностей — между металлическими пластинами и снаружи — и получить конечное число. Это означает, что снаружи двух пластин действительно больше квантовых вибраций, чем внутри пластин. Это явление приводит к выводу, что квантовые поля вне пластин сталкивают две пластины вместе, что в честь Хендрика называется эффектом Казимира.

Эффект невероятно мал, примерно 10-12 Ньютонов, и для этого требуется, чтобы металлические пластины находились в пределах микрометра друг от друга. (Один Ньютон — это сила, которая ускоряет объект массой 1 килограмм на 1 метр в секунду в квадрате.) Итак, хотя Казимир и мог предсказать существование этого квантового эффекта, только в 1997 году мы, наконец, смогли его измерить. благодаря усилиям физика из Йельского университета Стива Ламоро.

В этой экспериментальной установке, которая может поместиться на кухонной столешнице, тарелки не соединяются волшебным образом. Вместо этого это бесконечные вибрирующие квантовые поля пространства-времени, сталкивающие их друг с другом извне.

Обычно мы не видим, не ощущаем и не испытываем эффект Казимира. Но когда мы хотим спроектировать микро- и наномашины, нам приходится учитывать эти дополнительные силы. Например, исследователи разработали микромасштабные датчики, которые могут отслеживать поток химических веществ на основе молекулы за молекулой, но эффект Казимира может нарушить работу этого датчика, если бы мы об этом не знали.

Ученые исследуют потенциал вакуумной энергии

В течение нескольких лет исследователи исследовали возможность того, что мы действительно можем извлекать энергию вакуума и использовать ее для получения энергии. В 2002 году был выдан патент на устройство, которое улавливает электрический заряд двух металлических пластин экспериментальной установки «Казимир» и заряжает аккумуляторную батарею. Устройство можно использовать в качестве генератора. «Чтобы непрерывно генерировать энергию, множество металлических пластин закреплено вокруг ядра и вращается, как гирокомпас», — говорится в патенте.

В 2009 году Агентство перспективных исследовательских проектов министерства обороны США (DARPA) выделило исследователям 10 миллионов долларов для лучшего понимания силы Казимира. Хотя прогресс в использовании энергии вакуума продолжает поступать постепенно, это направление энергетических исследований может привести к инновациям в нанотехнологиях, таким как создание устройства, способного левитировать, заявили тогда исследователи.

В Университете Колорадо в Боулдере исследовательская группа Гаррета Моддела разработала устройства, производящие энергию, «которая, по-видимому, возникает в результате квантовых флуктуаций нулевой энергии», согласно веб-сайту группы. Их устройство по сути повторяет эксперимент Казимира, генерируя электрический ток между двумя металлическими слоями, который исследователи могли измерить, несмотря на отсутствие электрического напряжения.

Что касается самого Казимира, который был погружен в квантовую революцию, разворачивавшуюся в Лейденском университете, он имел тенденцию преуменьшать важность своей собственной работы. В своей автобиографии «Случайная реальность» Казимир сказал: «История моей собственной жизни не представляет особого интереса». А его монументальная статья 1948 года, посвященная планированию эксперимента, заканчивается простым утверждением: «Хотя эффект невелик, экспериментальное подтверждение не кажется невозможным и может представлять определенный интерес».

На самом деле его первоначальное открытие не произвело большого резонанса в научном сообществе, и в прессе не было ярких отзывов о его эксперименте. Одной из причин была собственная скромность Казимира, а другой — то, что вскоре он оставил академические исследования, чтобы сделать карьеру в промышленности. Но, несмотря на столь скромное начало, его работу нельзя недооценивать.

Сегодня мы продолжаем совершенствовать первоначальную экспериментальную установку Казимира, ища любые трещины в наших теориях, и используем ее как основу для еще более глубокого исследования фундаментальной природы космоса.

Источник