Ложный вакуум на пальцах™

Если вы вдруг следите за научными и околонаучными новостями, возможно натыкались на страшилку от Стивена Хокинга. Он там грозил всему миру Армагеддоном. Точнее, Хокинг, естественно ничего такого не говорил, а СМИ, как обычно, подхватывает и разносит по миру весть — "Хокинг сказал в мире есть два вакуума, ложный и истинный. Скоро весь ложный станет истинным и всем придет конец". 

Естественно, это полный бред и бояться не стоит, Армагеддон откладывается на неопределенный срок. А вот что такое ложный вакуум и почему бояться его не стоит, я бы хотел рассказать. По традиции сделаю это на пальцах™.

Идея довольно старая, кстати, и не Хокинг ее придумал. Она циркулировала в научных кругах еще с 70х годов прошлого века. А Хокинг вроде как нашел еще одно хитрое решение этой пока еще полностью теоретической концепции. Для того, чтобы понять, что такое ложный вакуум, сначала нужно разобраться, что же такое истинный, настоящий вакуум. 

По самому смыслу слова "вакуум" это вроде бы полная, абсолютная пустота. Но пустота у нас бывает, так сказать, разной степени свежести, давайте пройдемся по каждой.

Посмотрите на комнату из картинки поста, обычно, если в комнате нет людей, о ней говорят, что она пуста. Но ведь кроме людей, в комнате могут находиться куча разных предметов, стулья, диваны, шкафы, ковры на стенах (а ведь должны быть на полу!) и так далее.

Уберем из комнаты все предметы, причем абсолютно все — скрутим розетки со стен, отдерем плинтуса, снимем ламинат, всковырнем подоконники. Теперь комната абсолютно пуста. Но разве это вакуум? Она же полна воздуха! Между прочим, кубометр воздуха на уровне моря весит примерно килограмм, а кубометр воды — ровно тонну. Значит в стандартной комнате 3х5 метров заключено чуть менее 40 килограмм воздуха, учитывая стандартные хрущевские потолки.

Но вот убрали и воздух, т.е. все молекулы, все вещество, которое было внутри, теперь–то у нас вакуум? Нет, там же еще куча полей! Если в комнате светло (лампочку, балдоси, забыли убрать!), значит по комнате туда–сюда летают фотоны света. Если рядом за стенкой кто–то поставил точку доступа вай–фая, нам еще и вай–фай свои электроволны в комнату шлет. Плюс сотовая сеть ловится от ближайшей вышки, плюс вся комната пронизана радио и тв частотами, и это я еще молчу, что в туманности из созвездия Геркулеса взорвалась сверхновая, и залила всю нашу комнату, да что там комнату, всю Землю гамма–излучением. Уберем все возможные электромагнитные излучения из комнаты, экранируем ее полностью. Все равно, комната полна реликтовым излучением (удачи его убрать!) и пронзаема триллионами нейтрино на каждый кубический миллиметр объема. А–а–а–а!!!

Короче напряглись и убрали из комнаты все–все–все–все, что только можно. Оградили от всего, а для защиты от нейтрино построили свинцовые стены толщиной в 2–3 световых года вокруг. Только теперь мы начали приближаться к понятию абсолютного вакуума. Такой в природе не встречается, конечно. Но далеко–далеко от галактик, в космических пустотах можно найти что–то похожее, хотя от реликтового излучения все равно никуда не деться. Но и там, то шальной протон проскочит, то нейтрино, то пара фотонов от какой–нибудь ближайшей галактики прилетит.

Так вот, убрали мы все, абсолютно все, что только можно из комнаты, получили абсолютно чистый, свежий, морозный вакуум температуры 0 Кельвинов (потому что нет вещества, нет полей — нет и температуры) и задались вопросом, какова оказалась энергия, заключенная в объеме этой комнаты. Логичный ответ будет ровно ноль, и тут сразу же — ага! 

Дело в том, что есть вещи, которые мы можем убрать из комнаты (вакуума), а есть, которые убрать оттуда нельзя. Принципиально. 

Во–первых, это так называемые квантовые вакуумные флуктуации. Что это такое в подробностях долго объяснять, на пальцах™ можно сказать, что даже в абсолютно пустом вакууме на квантовом уровне постоянно происходит какая–то движуха. Вакуум кипит на квантовом уровне, в нем без перерыва рождаются и пропадают бесчисленное количество виртуальных частиц, то выпрыгивая из моря Дирака, то заныривая обратно. От вакуумных флуктуаций невозможно экранироваться, это свойство самого вакуума, они есть всегда.

Во–вторых, так получилось, что в вакууме кто–то разлил темную энергию. Эта та, что ответственна за ускоренное расталкивание галактик. Что это за энергия мы понятия не имеем, раньше думали, что это вакуумные флуктуации и есть, но потом подсчитали — нет, не они. А что–то еще. "Темная энергия" это лишь название. Возможно она совсем не темная, может быть даже и не энергия. Но она есть, ее не может не быть. От того ее пока просто считают еще одним свойством самого вакуума, как вакуумные флуктуации, но каким–то другим. 

В–третьих, недавно открытый Бозон Хиггса. Смысл этого бозона в том, что по всей Вселенной простирается некое поле Хиггса, квантом которого является этот бозон. Это поле опять–таки есть везде и всюду, от него не скроешься (по современным научным понятиям), а значит даже в самом самом пустом вакууме оно обязательно присутствует.

В–четвертых, другие общевселенские поля или очередные темные хрени, про которые мы и знать еще пока не знаем и ведать не ведаем.

Все это говорит нам о том, что даже в самом распустом кубометре вакуума все равно заключена некая энергия (как минимум сумма уже упомянутых), т.е. можно сказать, хоть и очень образно, что кубометр вакуума что–то весит, потому что если в нем есть энергия, то эмцеквадрат же!

От чего абсолютным вакуумом сегодня официально в науке принято считать не что–то "абсолютно пустое", а что–то, что имеет в принципе минимальное возможное значение энергии. Если нарисовать график энергии, получится такая загогулина:

Из картинки сразу четко видны и поняты (потому я ее и привел) сразу несколько вещей.

Наш вакуум находится в самой нижней красной точке графика, значение энергии там минимально, но оно не равно нулю. График же не касается нулевой оси, а расположен чуточку выше ее.

И тут же отметаются все идеи из серии — "раз энергия вакуума не равна нулю, нельзя ли ее как–нибудь в дело пустить, скажем построить какую–то хитрую электростанцию, работающую на вакууме?" Видно же, что нельзя. Если положить мячик в лунку, то что бы с ним не делали, он все равно будет возвращаться в самую нижнюю ее точку. Т.е. чтобы построить какой–нибудь "двигатель на энергии вакуума", нужно у вакуума эту энергию забрать и отдать двигателю, а это сделать невозможно, у вакуума энергия итак в самом минимуме.

Теперь перейдем к ложному вакууму. Как только ученые догадались до картинки, что я привел выше, сразу же зародилось подозрение, а вдруг это не вся картинка, а только часть ее? Вдруг, если от нее отойти на два шага, то нам откроется более широкая перспектива и полная картинка на самом деле будет выглядеть так:

Т.е. то, что мы называем нашим истинным вакуумом, всего лишь одна из ямок (Вакуум А). Когда настоящий, реальный истинный вакуум лежит еще ниже (Вакуум B). Может быть в том вакууме напряженность поля Хиггса ниже, или темной энергии меньше или еще что–то. В этом случае у нас в нашей Вселенной получается не истинный, а ложный вакуум. Ну, ложный и ложный. Для нас особой разницы нет, мы можем всю жизнь прожить в этом ложном вакууме и в ус не дуть. И даже не знать, что он на самом деле ложный, а где–то существует гораздо более истинный.

Но всегда есть шанс, что эта халява вдруг резко закончится. Природа–то всегда к минимуму энергий стремится. Она не может сама перепрыгнуть из ложного вакуума в истинный (из мелкой ямки в более крупную) ей не дают и мешают стенки.

Но что, если "мячик толкнуть посильнее"? Что если ударить такой энергией по вакууму, что он аж как подскочит наверх, и перевалится в состояние другого вакуума, более истинного? Кстати говоря, этот тоже может оказаться ложным, рядом с которым будет лежать уже труистинный, но для нас это не важно. Для нас важно, что возможно случится какая–то ерундень, и наш вакуум прыгнет из нашего состояния в соседнее, "более низкое".

Сразу скажу, это будет очень плохо. Причем всем и вся. Хорошая научно–популярная статья не будет полной, если в конце ее не фигурирует какой–нибудь маленький армагеддец. А тут конец света настает всем и тотальный. От свойств вакуума зависят свойства всех остальных частиц и полей в нем находящихся. Все наши электроны и протоны, из которых мы состоим, тут же поменяют свои свойства, у них будут другие заряды, или какие–нибудь спины или еще какая–нибудь морочая хрень. А это значит все атомы тут же распадутся на куски, или испарятся, или аннигилируют, звезды повзрываются или потухнут, или... короче все, что угодно может случится, и по закону вероятностей, обязательно что–то плохое. Шанс, что все останется как прежде минимальный, ведь стоит только чуть–чуть подкрутить любую из констант существующей Вселенной, вся она тут же рушится сразу нафиг. Оно, конечно, тут же на ее месте строится другая Вселенная, но нам, как живым организмам, состоящим из конкретных соединений химических молекул эта перемена будет совсем не в радость.

Не удержусь от удовольствия описать, как все будет происходить. Сначала один кусочек ("частица", "атом", если так можно сказать) вакуума перескочит из ложного состояния в истинное, или, как минимум — более низкое. И тут же потянет "за собой" всех своих соседей. Там расчеты не очень простые, но сумрачные гении уже посчитали, одним кусочком дело не обойдется — он всех за собой утянет. Попрет словно вода по трубке из верхнего сосуда в нижний, по научному сказать: градиент будет направлен в сторону нижнего минимума. Вокруг точки первоначального перескока фактически со скоростью света начнется раздуваться шар иного пространства, иного вакуума. Все, чего касается шар, он тут же поглощает, превращая в труху и пар элементарных частиц, или становится свинцово–тяжелым и сковывается полной недвижимостью, или воспламеняется миллионом градусов, а то и вообще все атомы, вся материя в миг превращается в поток чистой–лучистойэнергии и со скоростью света разлетается во все стороны. Здесь не получится сказать наперед, что угодно может быть, но явно не остается прежним. Так как границы шара разлетаются почти со скоростью света, увидеть заранее и быть предупрежденным о катастрофе невозможно. Информация, что на тебя прет смертельный шар другого вакуума распространяется почти с той же скоростью, с которой раздувается сам шар. Ты просто живешь своей жизнь, хрустишь французской булкой, гадишь в камментах или убегаешь от диких пчел Мозамбика и тут — бац! Вокруг все исчезло, причем включая тебя. Больно не будет, страшно не будет, просто в миг наш мир закончится и все. А волна пойдет дальше, поглощать Кассиопею, туманность Андромеды, суперкластер треугольника... Это будет очень скучный конец света, и не предугадать, не предупредить, ни даже почувствовать его никому не удастся. Считай, что во Вселенной просто выключили свет.

С чего может начаться подобный армогеддец? Есть два варианта. Или что–то подтолкнет "мячик вакуума" так высоко, что тот таки перепрыгнет через барьер, разделяющий разные состояния вакуума. Тут расчеты все чисто гипотетические, конечно. Вон Хокинг рожал, рожал, и родил, что для подобного фортеля якобы потребуется энергии порядка 100 миллиардов ГэВ или 100 миллионов ТэВ. Как он это сделал — никто не знает. Скорее всего Хокинг поиграл с мировыми константами, что–то куда–то разделил, умножил, взял корень и выдал ответ. Ну, типа при подобной энергии должен родиться некий хитрый бозон Хиггса, который из обычного поля Хиггса сделает другое поле Хиггса, с другими характеристиками. А это значит другую плотность энергии вакуума, и далее все по сценарию, что я описал выше.

Гонит Хокинг или нет — никто не знает. Он что–то там посчитал и нам выдал результат. Все СМИ тут же раструбили — "Хокинг предсказал конец света, он запланирован на следующую пятницу!" Кто–то уже прикинул размеры коллайдера, необходимого для достижения таких энергий, тот должен быть много больше планеты Земля. Но тут вот какая штука.

Помните, перед запуском БАКа в мире (больше, конечно, в прессе) была истерика, что от столкновений на коллайдере образуется страшная черная дыра, которая всех нас съест? Энергии столкновений у БАКа, если вы не знаете, так в википедию можно заглянуть — 14 Тэв (14x1012электронвольт). А на Землю периодически прямо на голову сверху сыпятся так называемые "космические лучи", в которых некоторые частицы достигают энергий в миллионы раз превышающий такие энергии. Откуда прилетают эти частицы неизвестно. Даже хуже, их вообще в принципе существовать не должно. Есть так называемый предел ГЗК (предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина по фамилиям ученых его открывших). Он говорит, что на Землю не может прилететь частица с энергией выше 50 ЭэВ (эксаэлектонвольт, 5х1019). Все частицы с более высокими энергиями должны в буквальном смысле слова "тормозиться о реликтовое излучение" и до Земли не долетать. Но поди ж ты, долетают, и энергиями гораздо более высокими. Это до сих пор нерешенная загадка науки, где они зарождаются и как до нас долетают, от того и одноименный парадокс.

Так вот, эти частицы есть, они прилетают к нам и высвобождают гораздо большие порядки энергий, чем жалкие людишки могут себе даже представить со всеми их БАКами и синхрофазатронами. И ничего, никаких черных дыр не образуется, Вселенная не умирает. Так что на этот счет беспокоиться пока рано, никакого хитрого бозона скорее всего нам опасаться не стоит.

Но есть и другой вариант перескока вакуума из ложного состояния в истинное. Спонтанный. Ни от чего не зависящий, ни от каких частиц, энергий и столкновений. Чисто вследствие законов квантовой механики. В этой механике существует так называемый туннельный эффект, когда какая–то частица может совершенно случайно "перескочить через потенциальную гору" и оказаться позади ее, в прямом смысле — словно по туннелю сквозь и напрямик. В данном случае это не какой–то забавный казус теории, интересный только в виде хитрой формулы на бумаге. Все мы, прямо сейчас пользуемся данным эффектом в нашей электронике, например в том компьютере или планшете, при помощи которого вы читаете текущий пост тоже наверняка есть туннельный диод, транзистор или какая–то еще хитрая микросхема, напрямую использующая данный квантовомеханический эффект для своей (т.е. нашей) прямой пользы.

Вот и в ситуации с ложным вакуумом, может так статься, что какая–то падла возьмет, и перескочит через гору без всякой на то причины. И всю остальную вселенную за собой потащит. Шансы на такой исход очень и очень малы (в квантовой механике вообще все, что угодно может случится, но с определенной вероятностью в каждом конкретном случае). Тут же риски вообще неисчислимо малы, число нулей после запятой в вероятности такого события ни в какую галактику не поместится даже если печатать их мелким шрифтом прямо по вакууму. Однако и Вселенная тоже довольно велика (может и бесконечна). Как знать, может быть где–то этот переход–перескок уже произошел, и на нас испепеляющим мечом Немезиды со скоростью света движется другая Вселенная, с новыми, улучшенными (но, увы, не для нас) законами физики.

С другой стороны, если этот шар зародился в миллиарде световых лет от нас, можно не беспокоиться. В запасе окажется миллиард (или или пять, или десять, кто знает) лет. За это время обязательно произойдет еще множество интересных и смертельных событий и катаклизмов, человеческой цивилизации еще сто раз появится возможность быть уничтоженной — стоит ли опасаться сто первого, к тому же мгновенного и безболезненного?