Невидимая энергия вакуума окружает нас повсюду. Мы могли бы использовать её для питания двигателей, создания усовершенствованных наноструктур и разработки левитирующих устройств.
Простая, но гениальная идея
Физик Хендрик Казимир предложил очень простой эксперимент: взять два металлических объекта, расположить их максимально близко друг к другу и подождать. Спонтанно, словно по волшебству, эти объекты начинают притягиваться. При этом не действуют никакие внешние силы: ни гравитация, ни магнитное поле, ни напряжение. Объекты просто сближаются сами по себе. Причина кроется в безграничном источнике колебаний, который существует в самом вакууме пространства-времени.
Эта идея, предложенная Казимиром вскоре после Второй мировой войны и подтверждённая лишь 25 лет назад, открыла путь к практическому наблюдению проявлений квантовой теории. Колебания квантовых полей лежат в основе современной физики — от взаимодействий частиц до эволюции всей Вселенной. Благодаря работе Казимира мы узнали, что вакуум космоса буквально пронизан бесконечной энергией.
Научная фантастика давно использует эту мысль, предлагая применять энергию вакуума для питания звездолётов или даже для варп-двигателей. Пусть пока это только мечты, но именно эксперимент 1948 года стал искрой, которая зажгла наше воображение и расширила понимание устройства Вселенной.
Квантовая странность под микроскопом
Казимир был голландским физиком и учёным, обучавшимся под руководством Нильса Бора — одного из отцов квантовой физики. Он быстро увлёкся этой необычной теорией. Однако по мере развития квантовая механика стала делать всё более странные заявления о природе мира.
Мир квантов кажется парадоксальным. Его проявления находятся за пределами нашего обычного восприятия, и потому мы редко можем наблюдать их напрямую. Казимир задумался: возможно ли проверить эти идеи экспериментально?
Он предложил изящный способ: измерять влияние бесконечных квантовых полей при помощи обычных металлических пластин, расположенных на микроскопическом расстоянии друг от друга. Его работа показала, что квантовое поведение реально и проявляется в неожиданных формах, которые можно зафиксировать. А значит, каким бы странным ни казалось описание Вселенной, данное квантовой механикой, его нельзя игнорировать.
Квантовые поля — странные, но реальные
Один из главных уроков квантовой теории заключается в том, что частицы — электроны, фотоны, нейтрино и другие — это не самостоятельные объекты. На самом деле каждая частица является частью куда более масштабной сущности — квантового поля.
Квантовые поля пронизывают всё пространство и время. Их можно сравнить с маслом и уксусом, которые пропитывают хлеб. Для каждого вида частицы существует своё поле: для электронов — одно, для фотонов — другое и так далее. Мы их не видим, но именно поля формируют основу существования материи.
Поля постоянно вибрируют. Когда вибрация достаточно сильная, возникает частица. Когда она затухает, частица исчезает. Другими словами, частица — это всего лишь локализованная вибрация квантового поля. А взаимодействие частиц — это взаимодействие фрагментов самих полей.
Важно понимать, что абсолютного вакуума не существует. Даже если очистить пространство от всех частиц, оно всё равно останется заполнено колеблющимися квантовыми полями. Их фундаментальная энергия получила название энергии нулевой точки.
Более того, количество этих колебаний бесконечно. Есть малые, средние, большие и гигантские вибрации, накладывающиеся друг на друга, словно пространство-время «кипит» на субатомном уровне.
Эксперимент с бесконечностями
Именно здесь проявился гений Казимира. Если взять две металлические пластины и расположить их очень близко друг к другу, квантовые поля между ними должны подчиняться определённым условиям. Их колебания должны «вписываться» в расстояние между пластинами, подобно тому как струна гитары ограничена своей длиной.
Колебаний по-прежнему бесконечно много, но — и это ключевой момент — их число между пластинами меньше, чем снаружи. В математике не все бесконечности одинаковы, и существуют методы для их сравнения. С помощью таких расчётов можно получить конечное число, показывающее разницу.
Результат этого явления получил название эффект Казимира. Суть его в том, что квантовые поля снаружи оказывают давление и буквально «сжимают» пластины.
Эффект крайне мал — около 10−12 ньютона, а пластины должны находиться на расстоянии меньше микрометра. Поэтому долгое время эксперимент был лишь теоретическим. Только в 1997 году физик Йельского университета Стив Ламоро впервые смог его измерить.
От гекконов до нанотехнологий
Неожиданно оказалось, что эффект Казимира связан даже с биологией. Яркий пример — гекконы. Эти ящерицы способны бегать по стенам и потолку. Их лапы покрыты микроскопическими волосками, которые приближаются к молекулам поверхности настолько близко, что вступает в действие эффект Казимира. Каждая волосинка создаёт крошечную силу притяжения, но их миллионы, и вместе они удерживают животное.
В обычной жизни мы не замечаем этот эффект. Но при создании микро- и нано-машин им нельзя пренебрегать. Например, специальные сенсоры, способные отслеживать движение молекул, могут работать некорректно, если не учитывать дополнительные силы, возникающие из-за энергии вакуума.
Попытки использовать энергию вакуума
Уже несколько десятилетий учёные пытаются выяснить, можно ли извлечь энергию вакуума и применить её на практике. В 2002 году был даже получен патент на устройство, которое использует металлические пластины, генерируя электрический заряд и накапливая его в батарее.
В 2009 году DARPA, исследовательское подразделение Министерства обороны США, выделило 10 миллионов долларов на изучение эффекта Казимира. Учёные предполагали, что такие исследования могут привести к созданию новых технологий, включая устройства, способные к левитации.
Группа Гаррета Моддела из Университета Колорадо в Боулдере разработала приборы, которые вырабатывают электрический ток без внешнего напряжения. По их словам, энергия возникает за счёт квантовых флуктуаций нулевой точки. По сути, это ещё одна версия эксперимента Казимира.
Наследие Казимира
Сам Казимир относился к своим открытиям с большой скромностью. В автобиографии «Случайная реальность» он писал: «История моей жизни не представляет особого интереса». Даже его знаменитая статья 1948 года завершалась осторожной фразой: «Хотя эффект и мал, его экспериментальное подтверждение представляется не невозможным и может иметь некоторый интерес».
В то время работа Казимира не вызвала широкого резонанса ни в научной среде, ни в прессе. Отчасти это связано с его личной скромностью, отчасти с тем, что вскоре он оставил академическую науку ради карьеры в промышленности.
Однако значение его открытия трудно переоценить. Сегодня учёные продолжают совершенствовать его экспериментальные установки, проверяя теории и стремясь глубже понять фундаментальную природу Вселенной.
