Ткань пространства-времени полна вибрирующих квантовых полей, называемых вакуумной энергией. Оно там, куда бы мы ни посмотрели. Сможем ли мы когда-нибудь получить от этого что-нибудь?
Мы даже можем рассчитать силу этой вакуумной энергии. Если мы применим правила квантовой механики, чтобы определить, насколько сильно поля колеблются изолированно, мы получим… бесконечность. Правильно, существует бесконечное количество энергии, заполняющей каждый кусочек пространства-времени. Это связано с тем, что нет предела количеству колебаний, которые могут иметь эти поля. Малые колебания, средние колебания и большие колебания происходят одновременно в каждом квантовом поле.
Подождите, подождите… как поля могут иметь бесконечную энергию и при этом более Энергия для создания частиц? Чтобы ответить на этот вопрос, мы можем обратиться к сложному эксперименту, разработанному голландским физиком Хендриком Казимиром.
Если вы возьмете две металлические пластины и приклеите их очень-очень близко друг к другу, квантовые поля между этими пластинами должны будут вести себя определенным образом. Длины волн их колебаний должны идеально совпадать между пластинами, точно так же, как длина волны колебаний гитарной струны должна соответствовать длине струны. В квантовом случае между пластинами все еще существует бесконечное число колебаний, но между пластинами не так много бесконечных колебаний, как вне пластин.
Используя некоторые хитрые математические приемы, мы можем вычесть две бесконечности и получить конечное число. Это означает, что снаружи двух пластин на самом деле больше квантовых вибраций, чем внутри тела пластины. Это говорит о том, что квантовые поля вне пластин сталкивают две пластины вместе, что называется эффектом Казимира. Мы можем измерить этот эффект и доказать, что квантовые поля действительно существуют.
Все эти теории и эксперименты приводят к удивительному выводу. Вся физика мира, каждое взаимодействие, каждый процесс и каждое действие происходят на сцене, наполненной бесконечным количеством вакуумной энергии. Какой бы странной ни была эта картина, она является результатом десятилетий исследований квантовой теории.
Сейчас у нас нет возможности получить доступ к этой энергии и сделать с ней что-нибудь полезное. Это потому, что это состояние с самой низкой энергией во Вселенной. Для выполнения работы должны существовать различия в энергии. Вам придется вытягивать энергию из одного места, преобразовывать ее и высвобождать где-то еще. Мы не можем черпать энергию из вакуума, потому что для энергии вакуума нет более глубокого места. Это похоже на попытку проехать на лифте мимо нижнего этажа здания: он останавливается на первом этаже, потому что ниже нет других этажей.
В случае эффекта Казимира нам сначала нужно было подать энергию в систему, чтобы соединить пластины. Когда плиты начинают двигаться, мы просто получаем обратно вложенную энергию, без какого-либо чистого прироста производства энергии.
Во вселенной научной фантастики существует множество идей, предлагающих использовать энергию вакуума для питания космических кораблей или других продвинутых форм движения. Хотя эти идеи противоречат устоявшейся физике, мы должны признать, что не до конца понимаем всю физику… особенно энергию вакуума. Самая большая подсказка о том, что мы делаем что-то не так, не имеет ничего общего с субатомными масштабами, а с космическими.
В конце 1990-х годов астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Самым простым объяснением этого ускоренного расширения является вакуумная энергия Вселенной. Поскольку мы можем измерить скорость расширения, мы можем оценить общее количество энергии вакуума, что дает нам примерно 6 х 10^-10 Дж на кубический метр пространства.
Это… не бесконечно. Итак, у нас есть проблема. С одной стороны, у нас есть ряд субатомных расчетов, предсказаний и измерений, которые говорят нам, что существует бесконечное количество энергии вакуума. С другой стороны, у нас есть космические измерения, которые говорят нам, что количество энергии вакуума действительно очень мало.
Что здесь происходит? Мы понятия не имеем. Это одна из крупнейших нерешенных проблем современной физики. Если мы хотим найти способ использовать энергию вакуума, мы должны сначала понять, что это такое на самом деле. Что бы мы там ни обнаружили, это будет связано с новыми видами физики, и кто знает, какие новые идеи откроет нам эта физика.
