Квант

Создание частиц из воздуха

Не забывайте, что принцип неопределенности в общем виде представляет собой утверждение, что мы не можем присвоить точные значения двум комплементарным величинам, таким как положение и импульс частицы, одновременно. Это сродни желанию, чтобы подброшенная монетка одновременно упала и орлом, и решкой вверх. В эту категорию попадают и другие пары величин, в частности энергия частицы и точное время, в течение которого она этой энергией располагает. Точно так же, чем короче изучаемый нами временной интервал, тем более сильные колебания энергии мы увидим. Однако, в отличие от связи положения и импульса частицы, которая привела нас в темные глубины волновых функций и природы того, что существует, пока мы не смотрим, отсюда вытекает совершенно определенное и удивительно простое следствие: что частицы создаются из ничего!
В квантовом мире временная шкала событий действительно очень и очень коротка. Я приведу один из потрясающих примеров, к которым любят прибегать ученые и которые требуют быстрых расчетов с неприличным количеством нулей. За одну секунду фотон может переместиться с одного конца атомного ядра на другой (не превышая при этом внутриядерного ограничения скорости) большее число раз, чем количество секунд, прошедших с момента Большого взрыва. Эта короткая временная шкала позволяет частицам, а именно протонам и нейтронам, ловко использовать принцип неопределенности очень важным образом. На очень короткий промежуток времени они могут заимствовать энергию буквально из ниоткуда при условии, что успеют возвратить ее до нарушения принципа неопределенности. Чем короче промежуток времени, на который им нужна энергия, тем больше энергии они могут позаимствовать.
Дальше наступает второй этап: уравнение Эйнштейна гласит, что масса и энергия взаимозаменяемы, так что позаимствованная энергия может быть использована для создания частицы определенной массы. Юкава предположил, что внутри ядра создается такая частица, которую теперь называют пионом. Эта частица, согласно его гипотезе, отвечает за силу притяжения, которая удерживает вместе протоны и нейтроны, совместно называемые нуклонами. Расчеты Юкавы предсказали, что пион создается одним нуклоном, который заимствует из окружающей среды достаточно энергии для его создания. Затем пион перепрыгивает к соседнему нуклону и снова исчезает. За краткий период своего существования, позволенный принципом неопределенности, он становится предметом обмена двух нуклонов и приводит к возникновению силы притяжения, которая притягивает их друг к другу. Этот пион часто считается виртуальной, а не реальной частицей, так как его существование мимолетно.
Точно так же электромагнитную силу между заряженными частицами можно представить в качестве обмена виртуальным фотоном, отличным от реальных фотонов, которые могут сколь угодно долго сохранять свою энергию, конечно, при условии, что их не поглотит атом. Виртуальные частицы, которые можно создать из чистой энергии, называются бозонами. Их также называют частицами-переносчиками взаимодействий, в том смысле что, когда происходит обмен двух других частиц с этой частицей, между ними возникает взаимодействие. Бозоны подчиняются иным квантовым законам, чем называемые фермионами настоящие частицы материи, включая электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят атомы, а следовательно, и вся материя вокруг нас. Однако, благодаря работе одного из величайших физиков-теоретиков всех времен стеснительного англичанина Поля Дирака, мы знаем, что из ничего могут создаваться даже фермионы (см. статью «Антивещество»).

 

На квантовом уровне даже пустое пространство на самом деле не полностью пусто, а кипит активностью: тут и там постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы. При рождении пар частица и ее партнер из антивещества создаются из чистой энергии, скажем, из фотона. В обратном процессе, называемом аннигиляцией, частица и античастица сталкиваются и уничтожают друг друга, навсегда исчезая во вспышке света.
Показать оглавление

Комментариев: 0

Оставить комментарий