Sự trống rỗng hoạt động như thế nào?

2

“Trực giác mách bảo một người rằng mọi thứ nên được kết nối trong tự nhiên, rằng vẻ đẹp của môi trường có ý nghĩa cao cả và hấp dẫn hơn. Để làm sáng tỏ những thách thức của Vũ trụ, để hiểu những điều chưa biết, tôi nhận ra sự sáng tạo của khoa học.” Những lời này thuộc về nhà vật lý trị liệu xuất sắc, Viện sĩ Arkady Venediktovich Middal, người đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển của lý thuyết lượng tử, lý thuyết LDR và ​​​​vật lý hạt cơ bản. A.V. Middal rất quan tâm đến việc phổ biến kiến ​​thức khoa học. Trong các cuốn sách của mình, ông nói về những thành tựu của vật lý hiện đại, đưa người đọc vào thế giới của sự sáng tạo khoa học và khiến họ cảm nhận được cái gọi là “khoa học khả thi”.
Hôm nay chúng tôi giới thiệu với độc giả một bài viết của A. V. Middal viết về những thách thức của tánh Không.

Sự trống rỗng hoạt động như thế nào?
Viện sĩ A. V. Middala

Chúng ta sẽ nói về những ý tưởng của chúng ta về thứ rộng rãi nhất trong Vũ trụ và có lẽ, đối tượng quan trọng nhất của nghiên cứu vật lý - tính trống rỗng - đã thay đổi như thế nào.

Tính Không là gì: một khái niệm trừu tượng, “không có gì” cùng với các thân vật lý khác?

Điều gì sẽ còn lại nếu một máy bơm lý tưởng loại bỏ tất cả các hạt khỏi một thể tích kín?

Có gì trong không gian quốc tế mà hầu như không có chất gì?

Sự phát triển của vật lý trong những thập kỷ gần đây đã chỉ ra rằng không gian vật lý của chúng ta - chân không - không chỉ là một vật thể hình học, không phải là một không gian trong đó không có gì, mà là một hệ phức tạp với các tính chất giao nhau hoàn toàn khác với tính chất của môi trường rắn, chất lỏng hoặc chất khí; nghiên cứu của nó liên quan đến những khái niệm sâu sắc nhất, như quan hệ nhân quả, mối liên hệ của hình học với vật chất, tính đối xứng của không gian và thời gian, mối liên hệ của tính đối xứng với các định luật bảo toàn…

Bạn không thể đẩy mà không chạm vào

Chúng ta biết rằng các cơ thể tác động lên nhau khi chúng chạm vào nhau. Hãy ném một hòn đá xuống nước - một làn sóng sẽ chạy từ nó và những cành cây nổi sẽ trượt vào - tác động được truyền từ điểm này sang điểm khác. Âm thanh sẽ lan rộng vì áp suất được truyền từ thể tích này sang thể tích liền kề, v.v. Nếu bạn dùng nắp thủy tinh đậy một chiếc chuông điện đang phát ra âm thanh và bơm không khí ra ngoài, bạn sẽ thấy búa vẫn đập vào chuông, nhưng âm thanh biến mất - âm thanh sẽ không lan truyền trong không gian trống rỗng. Đồng thời, chu kì dao động của con lắc đặt dưới nắp không thay đổi khi bỏ nắp ra.

3

không khí (nếu bỏ qua ma sát); Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn cũng không thay đổi.

Ngược lại với các lực phát sinh trong quá trình truyền âm thanh, lực điện và lực từ, lực hấp dẫn cũng tác dụng trong khoảng không, ánh sáng truyền trong đó, đó là lý do tại sao chúng ta nhìn thấy Mặt trời và các ngôi sao.

Thật tự nhiên khi cho rằng trong không gian của nam châm lớn hơn, vật tích điện hoặc khối lượng càng lớn thì trạng thái trống rỗng sẽ thay đổi. Không gian xung quanh những vật thể này ở trạng thái “căng thẳng”, được mô tả bằng từ: “nó có một trường trong không gian”. Các điện tích tạo ra điện trường, nam châm tạo ra từ trường và một vật thể có khối lượng lớn tạo ra trường hấp dẫn. Điện trường tác dụng lên một vật tích điện, từ trường tác dụng lên nam châm và trường trọng lực tác dụng lên hòn đá khiến chúng chuyển động. Sự thay đổi tốc độ của các vật thể này được giải thích bằng tác động của trường trong vùng không gian nơi chúng tọa lạc tại một thời điểm nhất định. Lực được truyền qua không gian trống từ điểm này sang điểm khác bằng cách sử dụng trường, như thể truyền qua một chất lỏng vô hình. Cơ chế truyền ảnh hưởng này được gọi là tác động tầm ngắn và được chấp nhận bởi vật lý hoàn hảo.

Nhưng có những ý tưởng khác - “hành động tầm xa”: ảnh hưởng của cơ thể này lên cơ thể khác được truyền ngay lập tức qua một khoảng cách. Dựa trên quan điểm này, Newton đã xây dựng lý thuyết về lực hấp dẫn của mình. Giả định về sự truyền ảnh hưởng tức thời không ngăn cản ông tìm ra các mô hình chuyển động của các thiên thể trùng khớp với dữ liệu quan sát với độ chính xác cao. Bây giờ chúng ta đã biết tại sao: các thiên thể chuyển động với tốc độ tương đối thấp và tương tác hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng và có thể được coi là tức thời trong trường hợp này.

Ý tưởng về khoảng cách rất khó dung hòa với tính chất của ánh sáng: người ta đã biết rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn và đi qua tất cả các điểm trung gian dọc theo đường truyền của chùm sáng. Điều này đặc biệt rõ ràng khi một chùm ánh sáng xuyên qua sương mù - nó liên tục. Newton cho rằng một vật thể phát sáng phát ra các hạt truyền ánh sáng - tiểu thể. Khi đó, tính hữu hạn của tốc độ không mâu thuẫn với ý tưởng về khoảng cách xa, nhưng không giải thích được tính chất sóng của ánh sáng, đã được chứng minh bằng các thí nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ. Lý thuyết hạt của Newton đã có thể giải quyết được những hiện tượng này.

Hơn một năm sau Newton, vào năm 1905, công trình đáng chú ý của Einstein về bản chất lượng tử của ánh sáng xuất hiện. Einstein đã chỉ ra rằng các mô hình được phát hiện bằng thực nghiệm về hiệu ứng quang điện (sự phóng electron ra khỏi nguyên tử trong quá trình chiếu xạ) chỉ có thể được giải thích bằng cách giả sử rằng ánh sáng là một tập hợp các hạt - photon tương tác với electron và đẩy chúng ra khỏi nguyên tử. (Chúng ta sẽ nói về sự thật chi tiết hơn ở phần sau.) Ý tưởng coi ánh sáng là sóng không thể giải thích được đặc điểm chính của hiệu ứng quang điện - năng lượng của electron phát ra không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà chỉ phụ thuộc vào hạt của nó.

Trong một số trường hợp, tầm nhìn của Einstein đã quen với lý thuyết hạt của Newoton. Và một lần nữa những câu hỏi lại nảy sinh mà Newoton không thể trả lời: làm thế nào để kết hợp cả hai ý tưởng - về bản chất sóng và hạt của ánh sáng? Một nghịch lý nảy sinh, được giải quyết bằng lý thuyết lượng tử, chứng minh rằng ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt, cũng như electron cũng là hạt; và một làn sóng! Ý tưởng này được gọi là “lưỡng nguyên sóng lượng tử”.

Bây giờ chúng ta biết rằng trong tánh Không mọi tương tác đều là điện,

Một nghịch lý quan trọng nảy sinh đã được giải quyết bằng lý thuyết lượng tử, chứng minh rằng ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt…

4

từ tính, hấp dẫn, hạt nhân - được truyền từ điểm này sang điểm khác với tốc độ không vượt quá tốc độ ánh sáng. Nếu một vật chuyển động thì lớp trọng lực tác dụng từ phía nó lên vật kia phải thay đổi. Nhưng nếu cơ thể khác này ở xa cơ thể đầu tiên hơn thì sẽ phải mất một thời gian đáng chú ý trước khi nó nhận được ảnh hưởng. Sự xáo trộn ở đâu khi vật thứ nhất đã chuyển động, còn vật thứ hai vẫn chưa có thông tin gì về vị trí mới của nó?… Lý thuyết về khoảng cách không thể trả lời câu hỏi này, và nhiều nhà vật lý đã từ bỏ nó trong thế kỷ trước.

Để giải thích sự truyền ảnh hưởng qua khoảng cách, một phương tiện đặc biệt đã được phát minh - ether, lấp đầy tất cả khoảng trống giữa các hạt vật chất. Tác động được truyền đi do ête xung quanh các vật thể tích điện hoặc từ hóa bị biến dạng và xuất hiện một lực tác dụng lên một vật thể tích điện hoặc từ hóa khác. Sự biến dạng của ether được truyền tuần tự - từ điểm này sang điểm khác. Ánh sáng truyền qua nó giống như cách âm thanh truyền qua môi trường.

Cho đến đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã cố gắng xây dựng ether theo hình ảnh và sự giống nhau của các vật thể rắn và lỏng đã biết, nhưng nó phải được nghiên cứu riêng. Đây là một loại môi trường đặc biệt. Hậu quả của quan niệm sai lầm về bản chất của tánh Không là sự xuất hiện của những nghịch lý thú vị, việc giải quyết chúng đã dẫn đến việc tạo ra các lý thuyết vật lý mới.

Tính chất điện từ của sự trống rỗng

James Maxwell, với những phương trình tuyệt vời của mình, được tìm ra vào năm 1865, đã hợp nhất nhiều nhánh vật lý khác nhau: quang học, điện học, từ tính.

Sự khởi đầu trên con đường này được đặt ra bởi bài thuyết trình mạnh mẽ của ông bởi Michael Faraday, người đã phát hiện ra định luật cảm ứng điện từ vào năm 1831. Nếu bạn thay đổi từ trường, một vòng dây tùy ý, thì một dòng điện sẽ xuất hiện trong dây dẫn - các điện tích trong nó bắt đầu chuyển động dưới tác động của điện trường vòng hình thành trong không gian. Vì vậy, từ trường xoay chiều tạo ra một điện trường xoay chiều trong khoảng trống.

Trở lại năm 1820, một người tiền nhiệm khác của Maxwell, Hans Oersted, đã phát hiện ra rằng dòng điện chạy qua một dây dẫn sẽ tạo ra một từ trường vòng xung quanh nó! Nếu bạn thay đổi định kỳ hướng của điện trường trong dây dẫn thì sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều và từ trường xoay chiều. Maxwell đã đưa ra một phỏng đoán xuất sắc rằng không chỉ các điện tích chuyển động tạo ra từ trường mà nó còn được tạo ra bởi chính điện trường xoay chiều.

Trong hai đặc tính đáng chú ý này của tánh Không, đặc tính thứ ba không kém phần quan trọng là sóng điện từ lan truyền trong tánh Không. Theo Maxwell, khi một điện trường xoay chiều liếm vào, nó hình thành xung quanh chính nó một từ trường xoay chiều, và từ trường - theo định luật Faraday - tạo ra một điện trường xoay chiều ở một nơi lân cận… Như vậy, những gì đã phát sinh sẽ được truyền đi ngày càng xa.

Từ phương trình Maxwell, người ta suy ra rằng các dao động điện từ sẽ lan truyền với tốc độ ánh sáng. Sự tồn tại của sóng điện từ đã được Heinrich Hertz chứng minh bằng thực nghiệm vào năm 1886-1889. Việc đi đến kết luận rằng ánh sáng cũng là sóng điện từ là điều tự nhiên. Giả định này đã được kiểm chứng và xác nhận bằng kinh nghiệm.

Vào thời của Maxwell, những ý tưởng này thật trừu tượng!

5

Và chúng nhanh chóng trở thành nền tảng cho hầu hết tất cả lợi ích của nền văn minh hiện đại: từ điện thoại và radio đến các phương tiện liên lạc không gian hiện đại - không thể liệt kê mọi thứ được sinh ra từ các thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm nhỏ trong nhiều thế kỷ, từ những thỏa thuận mơ hồ của những bộ óc vĩ đại!

Lý thuyết của Maxwell là một thắng lợi của tác dụng tầm ngắn: mọi ảnh hưởng điện từ đều được truyền qua một môi trường - ether. Nhưng những mâu thuẫn mới ngay lập tức nảy sinh.

Khi một vật chuyển động trong ether thì ether có chuyển động theo nó không? Các thí nghiệm đã cho kết quả trái ngược nhau; một số thí nghiệm đã cho thấy sự tham gia một phần hoặc toàn bộ của ête vào chuyển động, những thí nghiệm khác cho thấy rằng ête hoàn toàn không bị một vật thể chuyển động mang đi. Năm 1851, nhà vật lý người Pháp Armand Fizeau đã đo tốc độ ánh sáng trong dòng nước đang chảy và chứng tỏ rằng ether bị môi trường chuyển động bắt giữ một phần. Nhà vật lý người Mỹ Albert Michelson đã đo tốc độ ánh sáng dọc và ngang theo hướng chuyển động quỹ đạo của Trái đất vào năm 1881. Nếu ether đứng yên thì tốc độ ánh sáng dọc theo chuyển động của Trái đất sẽ là tổng của tốc độ ánh sáng trong ether và tốc độ của Trái đất so với ether. Hóa ra tốc độ ánh sáng là như nhau, tức là không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn, và nếu ánh sáng thực sự truyền trong ether, điều đó có nghĩa là ether đã bị Trái đất mang đi hoàn toàn…

Lý thuyết về ether tương đối phải giải quyết được những mâu thuẫn của ether.

Ether đã chết - Ether muôn năm!

Vào đầu thế kỷ 20, ý tưởng về tác dụng tầm ngắn tiếp tục được phát triển và chứng minh trong thuyết tương đối và thuyết hấp dẫn của Einstein. Hóa ra không chỉ ảnh hưởng điện từ mà cả ảnh hưởng hấp dẫn cũng lan truyền trong tánh không với tốc độ ánh sáng. Tốc độ ánh sáng không chỉ đi vào điện động lực học mà còn đi vào cơ học và lý thuyết về trọng lực.

Sự mâu thuẫn giữa thí nghiệm của Fizeau và thí nghiệm của Michelson là một công thức mới để cộng vận tốc theo thuyết tương đối; các tính chất của ether không đóng vai trò gì ở đây. Nhu cầu về khái niệm ether đã biến mất; nó đã được thay thế bằng chân không -

Tốc độ ánh sáng không chỉ đi vào điện động lực học mà còn đi vào cơ học và lý thuyết về trọng lực.

Nhưng lúc ban đầu, cái mới, như một quy luật, không hủy bỏ cái cũ; những ý tưởng cũ và mới đan xen và thấm nhuần lẫn nhau. Hơn nữa, cuộc cách mạng khoa học triệt để không hủy bỏ mà chỉ dừng lại, suy nghĩ lại về cuộc cách mạng trước đó và đặt ra ranh giới cho khả năng ứng dụng của những sự tương ứng đã được tìm thấy trước đó. Số phận của ether là một xác nhận thuyết phục về điều này.

Vào đầu thế kỷ 20, dường như tất cả các tính chất của sự trống rỗng đều được giải thích bằng ảnh hưởng của đá granit và điện từ. Nhưng việc nghiên cứu hạt nhân nguyên tử đã chỉ ra rằng trong hạt nhân có những lực giữ neutron và proton - lực hạt nhân. Và từ quan điểm tác dụng tầm ngắn, chúng cũng cần được coi là một trạng thái chân không đặc biệt, có định hướng. Chân không đã được làm giàu với một đặc tính nữa.

Khi cơ học lượng tử được áp dụng cho trường điện từ và các trường mô tả, chẳng hạn như các cặp hạt electron - positron, proton - phản proton, v.v., hóa ra là trong khoảng trống, các dao động không sơ cấp của các trường này sẽ xảy ra, các hạt cơ bản được sinh ra và biến mất… Khi hạt mong muốn (neutron và proton) va chạm, giấc mơ về nhiều hạt khác nhau nảy sinh từ khoảng trống. Chân không chứa đầy các hạt! Một môi trường cực kỳ phức tạp và thú vị - chân không - lại có thể được gọi là ether, nếu không có sự nhầm lẫn với khái niệm nhất thế kỷ 19.

6

Cơ học lượng tử
trường chân không

Nếu không có một số thông tin tối thiểu về cơ học lượng tử thì không thể hình thành được một bức tranh vật lý thô sơ về các hiện tượng xảy ra trong chân không. Do đó, trước khi nói về những đặc tính đáng kinh ngạc của trường chân không, chúng ta sẽ phải lạc đề và nói về kết quả mà việc ứng dụng cơ học lượng tử dẫn đến một hệ dao động quanh vị trí cân bằng. Những hệ thống như vậy thường được tìm thấy trong vật lý và được gọi là bộ dao động. Cho dù bộ dao động có cấu trúc cụ thể như thế nào - có thể là nam châm, trọng lượng bên ngoài, mạch dao động - năng lượng của nó bao gồm hai thuật ngữ: thế năng, tỷ lệ với bình phương của đại lượng, có thể được gọi là “tọa độ tổng quát” và động năng, tỷ lệ với bình phương tốc độ thay đổi của “tọa độ” này. Đối với một trọng lượng bên ngoài, “tọa độ tổng quát” là sự dịch chuyển của trọng lượng khỏi vị trí cân bằng; đối với mạch dao động, đó là điện tích trên các bản tụ. Hệ số tỷ lệ trong động năng xác định “khối lượng tổng quát”. Chúng ta gọi những đại lượng này là đại lượng tổng quát vì chúng không phụ thuộc vào sự thực hiện của bộ dao động - “tọa độ” như bạn có thể thấy, không nhất thiết phải có thứ nguyên độ dài.

Hãy dừng nam châm - ở vị trí cân bằng, năng lượng của nó là tối thiểu: cả động năng và thế năng đều bằng 0. Đây là cách một bộ dao động cổ điển hoạt động. Nhưng đây chính là điều đã xảy ra khi cơ học lượng tử được áp dụng vào bộ dao động.

Một trong những nguyên lý quan trọng nhất của cơ học lượng tử, nguyên lý bất định, được Werner Heisenberg xây dựng vào năm 1927, phát biểu rằng một số đại lượng vật lý không thể đồng thời cho những giá trị xác định. Đây chính xác là các đại lượng là “tọa độ tổng quát” và “động lượng tổng quát” - tích của “khối lượng tổng quát” và “tốc độ tổng quát”. Tiến hành các thí nghiệm tưởng tượng, Heisenberg đi đến kết luận rằng người ta đo lường càng chính xác thì

Một trong những nguyên lý quan trọng nhất của cơ học lượng tử là nguyên lý bất định.

dynate của một electron thì động lượng của nó càng kém chắc chắn và ngược lại. Đây là một hạn chế cơ bản mà tự nhiên áp đặt lên các khái niệm tọa độ và động lượng.

Khi cơ học lượng tử được áp dụng vào một bộ dao động, người ta ngay lập tức thấy rõ rằng động năng và thế năng của một bộ dao động lượng tử không thể đồng thời bằng 0: nếu đúng như vậy thì cả vị trí và động lượng của bộ dao động sẽ phải được xác định và bằng 0 cùng một lúc, và điều này mâu thuẫn với nguyên lý bất định. Một bộ dao động lượng tử, không giống như bộ dao động cổ điển, không đứng yên ngay cả ở trạng thái có năng lượng thấp nhất. Nó tạo ra “dao động bằng không” xung quanh vị trí cân bằng.

Tính chất đáng chú ý này của bộ dao động lượng tử rất tốt cho vật lý hiện đại.

Dao động đàn hồi của một vật rắn, cũng như dao động của dây, được mô tả bằng một tập hợp các bộ dao động có tần số khác nhau. Nếu chúng ta tính đến việc các bộ dao động phải được nâng lên bằng cơ học lượng tử, thì hóa ra ở nhiệt độ không tuyệt đối, xảy ra dao động đàn hồi bằng không - và một phần của vật rắn không bất động mà tham gia vào “dao động bằng không”. Điều này đã được xác nhận bằng các thí nghiệm về tán xạ ánh sáng trong chất rắn ở nhiệt độ thấp.

Sóng điện từ trong hư không cũng có thể được coi là tái