Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Таким образом, пространство лишь кажется пустым и безжизненным. Такой вид оно имеет, когда его рассматривают «в среднем», имея в виду достаточно длительные временные интервалы и области значительно больших размеров, чем элементарные частицы. А при большом увеличении оно похоже на густой туман спонтанно рождающихся и тут же лопающихся частиц-капелек. Все это дрожит, мелькает, переливается световой радугой. И чем больше увеличение, тем насыщеннее становится вакуум. Представление о пространстве как об абсолютной, ничего не содержащей в себе пустоте оказывается совершенно неверным. При воздействии внешних полей такая «пустота» ведет себя как материальная среда. Например, в электрическом поле она поляризуется подобно диэлектрику в конденсаторе: положительно заряженные флюктуационные частицы смещаются в одну сторону, отрицательно заряженные — в другую. Такой эффект проявляется во многих экспериментах. Более того, выясняется, что вакуум кое-какими своими свойствами напоминает сверхпроводник — совсем уж, казалось бы, невероятная идея, если вспомнить, что сверхпроводимостью чаще всего обладают металлы. Сверхпроводящая пустота! Трудно придумать более противоречивое явление, но таковы факты. Как показывают расчеты, хорошо согласующиеся с опытом, в «газе» микрочастиц, которым «дышит» вакуум, устанавливаются коллективные, упорядоченные связи — подобно тому, как это происходит в электронном «газе» внутри охлажденного металла.

Если в вакуум ввести достаточное количество энергии, так сказать, сильно «нагреть» его, то он начнет испускать частицы. Но разве нагревать вакуум — не то же самое, что варить уху в океане? Нет, если это сделать быстро (например, создавая в пространстве столкновением быстрых ионов тяжелых атомов очень сильное электромагнитное поле), то небольшой «кусочек» вакуума можно довести до «кипения». Да, во многих отношениях действительно вакуум представляет собой своеобразную материальную среду.

Стрелка наших знаний сделала еще полоборота...

Мы уже не раз говорили о том, что на самом глубоком из известных нам уровней материя состоит из кварков и связывающего их глюонного поля. Это поле действует на цветные заряды кварков. Физикам известно уравнение этого поля, описывающее его распространение в пространстве. И вот среди решений глюонного уравнения неожиданно были найдены такие, которые описывают движение необычных микрообъектов — так называемых инстантонов (от английского слова instant — мгновение), спонтанно возникающих в вакууме частицеподобных сгустков глюонного поля с мнимым временем. При решении уравнений, как мы тоже уже говорили, часто появляются мнимые величины, вот и здесь получилось мнимое время. Начиная с Дирака, у которого получалась отрицательная энергия и масса, а за ними, как выяснилось, кроется целый мир античастиц, физики к мнимым величинам относятся с интересом. Не кроется ли и за этими сгустками с мнимым временем что-нибудь важное?

Чтобы понять физический смысл инстантонов, представим себе, что мы ищем решение уравнений ньютоновой механики в необычных условиях — внутри жесткого барьера, разделяющего надвое пространство с движущимися в нем частицами. В квантовой механике из-за размазывания траекторий возможен так называемый туннельный переход микрочастицы сквозь жесткую стенку. Например, если сначала все частицы были с одной стороны стенки, то проходит определенное время, и часть их оказывается уже по другую ее сторону, а некоторые из них — даже внутри стенки.

Никакого чуда тут нет. Даже нечто знакомое: похоже на поглощение света. Ведь даже в самых непрозрачных материалах световая волна, прежде чем она будет поглощена, успевает пройти некоторое расстояние. Квантовая частица движется по волновым законам, и, если барьер или стенка тонкие, она может пройти сквозь них — просочиться между атомами и молекулами, из которых они состоят. Это очень распространенное явление; именно таким путем, например, альфа-частицы испускаются из глубины атомных ядер.

Так ведут себя волны. В ньютоновой механике твердых тел подобное просачивание невозможно, и уравнения дают физически бессмысленный ответ: частицу внутри стенки можно обнаружить лишь при мнимом времени. Но если заранее знать о квантовой механике и о возможности туннельных переходов, то каждое решение ньютоновых уравнений с мнимым временем можно рассматривать как сигнал такого перехода. Поэтому и инстантоны можно тоже считать предупреждением о каких-то особых туннельных переходах, для описания которых можно разработать более точную квантовую теорию глюонного поля.