Матерію можна створити з нічого. Учені підтвердили гіпотезу, яка 70 років вважалася недоведеною

Наш Всесвіт підпорядковується законам збереження — фундаментальним правилам природи, які керують енергією, зарядом, імпульсом, рухом центру мас і так далі. Фактично все, що відбувається навколо нас, узгоджується з цими непорушними правилами.

У спробі зрозуміти ці закони вчені вже довгий час намагалися зрозуміти, як ми можемо створювати матерію. Це не тільки цікаво, а й неймовірно важливо з наукового погляду, адже Всесвіт, фактично, також з’явився з «нічого».

Колись наш світ був зосереджений у сингулярності — крихітній точці у кілька мікронів. Деякі вчені впевнені — тоді це був лише потік енергії.

Потім був Великий вибух, унаслідок чого наш світ став таким, яким ми його знаємо, — із міріадами галактик, зірок, чорних дір і великою кількістю загадок, які ми тепер намагаємось розгадати.

Очевидно, що Великий вибух не з’явився сам собою — щось мало існувати до нього. Однак зараз учені можуть лише припускати, чим Всесвіт був до того, як з’явилася перша матерія, і скільки він існував у своєму попередньому стані (і чи існував узагалі).

Цікаво, що ключі до вирішення деяких загадок нашого величезного Всесвіту містяться в галузі квантової фізики, яка вивчає найменші частки нашого світу.

Існування порожнього простору не означає, що він буде порожнім вічно. Наприклад, зіткнення двох частинок може призвести до появи додаткових частинок, які будуть у цьому просторі. Теоретично не потрібні навіть частинки: близько 70 років тому американський фізик-теоретик Джуліан Швінгер припустив, що Всесвіт може створювати матерію з нічого.

Уважалося, що подібний ефект може виникнути лише за допомогою найпотужніших енергій із наявних, які існують в екстремальних астрофізичних умовах (ніби центру чорної діри). Уважається, що такі потужності неможливо відтворити навіть за допомогою колайдерів.

Проте нещодавно гіпотеза Швінгера здобула наукове підтвердження. Дослідження команди вчених із Великої Британії, Іспанії, США та Японії, опубліковане в журналі Science, довело, що досить сильні електричні поля можуть створити частинки й античастинки в абсолютній порожнечі. Цікаво, що їм не знадобився великий колайдер для досягнення по-справжньому революційного результату.

Цікаво, що справжню порожнечу в умовах нашого світу створити, напевно, ще складніше, ніж створити щось із цієї порожнечі. Усі ми чули у школі про вакуум — простір, у якому не існує матерії. Однак це лише теоретичний стан, який у реальному світі ніде не існує: навіть у так званому космічному вакуумі існують атоми, хоча й у трильйони разів меншій концентрації, ніж на нашій планеті.

У ньому постійно народжуються і зникають пари віртуальних частинок і античастинок — відбуваються постійні коливання (флуктуації) пов’язаних із цими частинками полів. Зокрема, відбуваються коливання пов’язаного із фотонами електромагнітного поля.

По-перше, існують кванти — найдрібніші елементарні частинки, з яких і складається вся наявна матерія.

По-друге, навіть якщо вам удасться цілковито очистити простір від квантів, він однак не буде порожнім через гравітацію та електромагнетизм. Доказом цього став доведений у 1996 році ефект Казимира, згідно з яким два незаряджені тіла, які знаходяться у вакуумному просторі, будуть притягуватися одне до одного через квантові флуктуації — незначні прояви енергії, що існують навіть в «ідеально порожньому» просторі.

Астрофізик Ітан Сігел у своїй статті пояснює, що ще одна важлива роль у цьому питанні відведена принципу невизначеності Гейзенберга, згідно з яким ми ніколи не зможемо встановити деякі величини, зокрема й у порожньому просторі. Це означає, що в будь-який момент часу навіть в ідеальному вакуумі може бути невизначена (але мінімальна) кількість енергії, яку ми не помітимо.

У порожньому просторі через квантові флуктуації постійно народжуються частинки та їхні «протилежні двійники» — античастинки. У них ідентичні маса та спін, а відмінність лише у заряді. Через це вони миттєво анігілюють, тобто знищують одна одну. Це можна порівняти з нулем: він розкладається на числа +1 і -1, які в сумі дають той самий 0.

Швінгер припустив, що за певних умов ми можемо зберегти ці частинки, не давши їм знищити одна одну. Тобто фактично створити матерію з порожнього місця.

Учений вважав, що для цього знадобиться надпотужне електричне або магнітне поле, які б дозволили часткам розлетітися в різні боки відразу після їх появи. Однак виникла проблема: у природі такі магнітні поля існують лише в екстремальних умовах (наприклад, усередині чорних дір або нейтронних зірок), які неможливо відтворити на Землі. А найсильнішим електричним полям, які створюють наші лазери, дуже далеко до тих, що потрібні для підтвердження гіпотези вченого.

Однак для доказу припущення Швінгера фізикам не потрібно було подорожувати до чорних дір. На допомогу прийшов графен — матеріал, який уже давно вважається одним із найперспективніших з погляду науки: він дуже добре проводить тепло й електрику, практично без будь-якого опору.

Дослідники використовували графенові суперрешітки, на які подавали дуже сильний електричний заряд. Під час експерименту вони поступово піднімали силу струму, і помітили, що в якийсь момент усередині графенових решіток почали з’являтися електрони й «електронні діри», які є аналогами позитронів.

Фактично, струм створював частинку й античастинку, які не анігілювали, а продовжували існувати окремо одна від одної, таким чином підтвердивши гіпотезу Швінгера. Фізики зазначають, що їхній експеримент не є відображенням того, як учений бачив цей процес спочатку. Доступних нам потужностей не вистачить, аби перевірити його припущення в ідеальній формі — зі справжнім вакуумом і зарядом неймовірної сили — проте їхня робота показує, що його пропозиція була правильною, і в певних умовах ми справді можемо створювати матерію з порожнього місця, використовуючи лише електричний струм або магнетизм.

Більше того, ученим удалося просунутися ще далі: коли вони заповнили області вакууму між шарами графену електронами, а потім прискорили їх до швидкості 1 млн метрів на секунду (1/300 від швидкості світла), сила струму почала перевищувати гіпотетично максимальну силу, яку пророкують закони фізики.

Фактично, посилення струму призводило до того, що вироблене ним електричне поле також ставало дедалі потужнішим, що, натомість, також посилювало цей струм. Причому графен спокійно витримував цю напругу, а суперрешітки не втрачали своєї структури.

Практичне застосування цього дослідження — питання не першої важливості. Учені навряд чи створять якісь незвичайні гаджети або розкриють секрет появи Всесвіту. Однак ця робота показала, що ми справді можемо створювати матерію з нічого — експеримент став доказом припущення, яке було висунуто понад 70 років тому; більше того, виявилося, що графен — іще перспективніший для людства матеріал, ніж уважалося раніше.

І з погляду перспектив, обидва ці висновки — великий крок уперед для нашої науки.