1 год назад
Нету коментариев

Физический вакуум представляет собой «море» все­возможных так называемых виртуальных частиц и анти­частиц. В отсутствие внешних полей эти частицы не мо­гут превратиться в реальные. Однако достаточно силь­ное постоянное или быстро меняющееся поле (напри­мер, электромагнитное или гравитационное) может выз­вать такое превращение.

Интерес к подобным процессам теоретики проявляли давно. Рассмотрим, например, процесс рождения час­тиц в переменном поле (именно такой процесс важен в случае гравитационного поля).

Известно, что квантовые процессы необычны, часто непривычны для рассуждений с точки зрения «здравого смысла». Поэтому прежде чем говорить о рождении час­тиц в переменном гравитационном поле, рассмотрим, простой пример из механики, который сделает понятнее дальнейшее изложение.

Представим себе маятник. Его подвес перекинут че­рез блок: подтягивая веревку или опуская ее, можно менять длину подвеса. Толкнем теперь маятник — он начнет колебаться. Период колебаний Т зависит от дли­ны подвеса l:T=2пКореньl/g, где g — ускорение свобод­ного падения.

Теперь будем очень медленно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний.

Медленно вернем веревку в прежнее положение. Пе­риод вернется к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний.

Подобные изменения амплитуды носят название адиабатических. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключенная в колеба­ниях, в конечном состоянии останется прежней (такой, как была до всего цикла изменения длины маятника). Но можно и так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда будет ме­няться. Для этого надо подергивать веревку с частотой, вдвое большей частоты маятника. (Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях.) Это явление названо пара­метрическим резонансом.

Подобным же образом можно «раскачивать» элек­тромагнитные волны в резонаторе. Если в полости с зеркальными стенками и поршнем имеется электромаг­нитная волна, то, двигая поршень вперед и назад с час­тотой, вдвое большей частоты электромагнитной волны, мы будем менять ее амплитуду. Выбирая различным об­разом фазу движения поршня по отношению к фазе волны, можно увеличивать амплитуду электромагнитной волны и уменьшать ее. Но если проводить опыты при всех возможных фазах, то в среднем всегда получится усиление волны. Следовательно, неадиабатичность про­цесса ведет к «накачке» энергии в энергию колебаний.

Если в резонаторе имеются электромагнитные волны всевозможных частот, то, как бы мы ни двигали пор­шень, всегда найдется волна такой частоты, которая со­ответствует характерному времени изменения движения поршня. Амплитуда этой волны возрастет. На языке квантовой физики увеличение амплитуды означает уве­личение в волне количества фотонов. Итак, неадиаба­тичность процесса вызывает рождение новых фотонов — частиц электромагнитного поля.

После знакомства с этими простыми примерами вер­немся к физическому вакууму — к «морю» всевозмож­ных виртуальных частиц. Для простоты мы будем гово­рить только об одном сорте частиц — о виртуальных фотонах, т. е. квантах электромагнитного поля.

Оказывается, что неадиабатический процесс, который в классической физике ведет к усилению уже имеющих­ся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к «усилению» виртуальных колебаний, т. е. к пре­вращению виртуальных частиц в реальные. Так, изме­нение со временем гравитационного поля должно вызы­вать рождение фотонов с частотой порядка характерно­го времени изменения поля. Обычно эти эффекты ни­чтожно малы, поскольку слабы гравитационные поля. Однако в начале расширения Вселенной эти эффекты должны быть очень сильны, так как и гравитационные силы и скорость их изменения там колоссальны. Воз­можно, что квантовые процессы, происходившие еще вблизи начальной сингулярности, определили основные черты сегодняшней Вселенной.

Но не только вблизи сингулярности могут рождаться частицы. Уже давно известно, что частицы могут рож­даться вблизи черных дыр. Если тело было заряжен­ным, то после его превращения в черную дыру во внеш­нем пространстве останется электрическое поле. В до­статочно сильном электрическом поле могут рождаться пары заряженных частиц — электроны и позитроны. Рождаются частицы и в поле тяготения вращающейся черной дыры, возникшей из вращающегося тела. Оба процесса вызываются полями вокруг черной дыры и приводят к изменению этих полей, но не уменьшают са­му черную дыру, не уменьшают размеры области, от­куда не выходят свет и любое другое излучение, а так­же частицы.

comments powered by HyperComments