Материю можно создать из ничего. Ученые подтвердили гипотезу, которая 70 лет считалась недоказуемой

Наша Вселенная подчиняется законам сохранения — фундаментальным правилам природы, которые управляют энергией, заряда, импульса, движения центра масс и так далее. Фактически, все, что происходит вокруг нас, согласуется с этими незыблемыми правилами.

В попытке понять эти законы, ученые уже долгое время пытались понять, как мы можем создавать материю. Это не только интересно, но и невероятно важно с научной точки зрения, ведь Вселенная, фактически, также появилась из «ничего».

Когда-то наш мир был сосредоточен в сингулярности — крошечной точке в несколько микрон. Некоторые ученые уверены — тогда это был лишь сгусток энергии.

Затем был Большой взрыв, в результате чего наш мир стал таким, каким мы его знаем, — с мириадами галактик, звезд, черных дыр и большим количеством загадок, которые мы теперь пытаемся разгадать.

Очевидно, что Большой взрыв не появился сам по себе — что-то должно было существовать до него. Однако сейчас ученые могут лишь предполагать, чем Вселенная была до того, как появилась первая материя, и сколько она существовала в своем предыдущем состоянии (и существовала ли вообще).

Интересно, что ключи к решению некоторых загадок нашей огромной Вселенной, находятся в области квантовой физики, которая изучает самые маленькие частицы нашего мира.

Существование пустого пространства не означает, что оно будет пустовать вечно. К примеру, столкновение двух частиц может привести появлению дополнительных частиц, которые будут находиться в этом пространстве. В теории не нужны даже частицы: около 70 лет назад американский физик-теоретик Джулиан Швингер предположил, что Вселенная может создавать материю из ничего.

Считалось, что подобный эффект может возникнуть лишь с помощью самых мощных энергий из существующих, которые существуют в экстремальных астрофизических условиях (вроде центра черной дыры). Считается, что такие мощности воспроизвести невозможно даже при помощи коллайдеров.

Однако недавно гипотеза Швингера получила научное подтверждение. Исследование команды ученых из Великобритании, Испании, США и Японии, опубликованное в журнале Science, доказало, что достаточно сильные электрические поля могут создать частицы и античастицы в абсолютной пустоте. Интересно, что им не потребовался большой коллайдер для достижения по-настоящему революционного результата.

Интересно, что настоящую пустоту в условиях нашего мира создать, наверное, еще сложнее, чем создать что-то из этой самой пустоты. Все мы слышали в школе о вакууме — пространстве, в котором не существует материи. Однако это лишь теоретическое состояние, которое в реальном мире нигде не существует: даже в так называемом космическом вакууме существуют атомы, хотя и в триллионы раз меньшей концентрации, чем на нашей планете.

В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля.

Во-первых, существуют кванты — самые мелкие элементарные частицы, из которых и состоит вся существующая материя.

Во-вторых, даже если вам удастся полностью очистить пространство от квантов, оно все равно не будет пустым из-за гравитации и электромагнетизма. Доказательством этого стал доказанный в 1996 году эффект Казимира, согласно которому два незаряженных тела, находящиеся в вакуумном пространстве будут притягиваться друг ко другу из-за квантовых флуктуаций — незначительных проявлений энергии, существующих даже в «идеально пустом» пространстве.

Астрофизик Итан Сигел в своей статье объясняет, что еще одна важная роль в этом вопросе отведена принципу неопределенности Гейзенберга, согласно которому мы никогда не сможем установить некоторые величины, в том числе и в пустом пространстве. Это означает, что в любой момент времени даже в идеальном вакууме может присутствовать неопределенное (но минимальное) количество энергии, которое мы не заметим.

В пустом пространстве из-за квантовых флуктуаций постоянно рождаются частицы и их «противоположные двойники» — античастицы. У них идентичны масса и спин, а различие лишь в заряде. Из-за этого они моментально аннигилируют — то есть уничтожают друг друга. Это можно сравнить с нулем: он раскладывается на числа +1 и -1, которые в сумме дают все тот же 0.

Швингер предположил, что в определенных условиях мы можем сохранить эти частицы, не дав им уничтожить друг друга. То есть, фактически, создать материю из пустого места.

Ученый считал, что для этого потребуется сверхмощное электрическое или магнитное поле, которые позволили бы частицам разлететься в разные стороны сразу после их появления. Однако возникла проблема: в природе такие магнитные поля существуют лишь в экстремальных условиях (например, внутри черных дыр или нейтронных звезд), которые невозможно воспроизвести на Земле. А самые сильные электрические поля, которые создают наши лазеры, и в подметки не годятся тем, что требуются для подтверждения гипотезы ученого.

Однако для доказательства предположения Швингера физикам не потребовалось путешествовать к черным дырам. На помощь пришел графен — материал, который уже давно считается одним из самых перспективных с точки зрения науки: он очень хорошо проводит тепло и электричество, практически без какого-либо сопротивления.

Исследователи использовали графеновые суперрешетки, на которые подавали очень сильный электрический заряд. Во время эксперимента они постепенно поднимали силу тока, и заметили, что в какой-то момент внутри графеновых решеток начали появляться электроны и «электронные дырки», которые являются аналогами позитронов.

Фактически, ток создавал частицу и античастицу, которые не аннигилировали, а продолжали существовать отдельно друг от друга, таким образом подтвердив гипотезу Швингера. Физики отмечают, что их эксперимент не является отражением того, как ученый видел этот процесс изначально. Доступных нам мощностей не хватит, чтобы проверить его предположение в идеальной форме — с настоящим вакуумом и зарядом невообразимой силы — однако их работа показывает, что его предоложение было правильным, и в определенных условиях мы действительно можем создавать материю из пустого места, используя лишь электрический ток или магнетизм.

Более того, ученым удалось продвинуться еще дальше: когда они заполнили области вакуума между слоями графена электронами, а затем ускорили их до скорости в 1 млн метров в секунду (1/300 от скорости света), сила тока стала превышать гипотетически максимальную силу, которую предсказывают законы физики.

Фактически, усиление тока приводило к тому, что производимое им электрическое поле также становилось все мощнее, что, в свою очередь, также усиливало этот ток. Причем графен спокойно выдерживал это напряжение, а суперрешетки не теряли своей структуры.

Практическое применение этого исследования — вопрос не первой важности. Ученые вряд ли создадут какие-то необычные гаджеты или раскроют секрет появления Вселенной. Однако эта работа показала, что мы действительно можем создавать материю из ничего — эксперимент стал доказательством предположения, которые было выдвинуто более 70 лет назад; более того, оказалось что графен — еще более перспективный для человечества материал, чем считалось ранее.

И с точки зрения перспектив, оба этих вывода — большой шаг вперед для нашей науки.