В чем состоит явление? Вакуум в современном понимании — это не пустота, а основное состояние в квантовой теории поля, в котором существуют нулевые колебания. Одним из проявлений этих нулевых колебаний является рождение пар во внешних сильных полях. Представьте, что у вас есть сильное электрическое поле между обкладками конденсатора. Представьте, что обкладки конденсатора достаточно друг от друга отдалены, а электрическое поле достаточно сильно, так что электрическая сила на размере конденсатора совершает достаточную работу, чтобы родить пару. Если работа, совершенная электрическим полем на этом расстоянии, окажется больше чем 2mc2 (где m — это масса электрона или позитрона), то внутри конденсатора начнется рождение электронно-позитронных пар.
Другое дело, что это огромное поле, недостижимое в современных технологических условиях. Но над его достижением работают, строят установки, на которых это явление будет наблюдаться. Нет никакой мистики, это не значит, что частицы берутся из ничего. Безусловно, поле расходуется, оно уменьшается, то есть совершает работу по рождению электрон-позитронных пар.
Нулевые колебания — это рождения на короткие промежутки времени электрон-позитронных пар, которые потом схлопываются. Если вы поместите их во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация. При рождении этой пары они расходятся все дальше и дальше. Они рождаются, если расстояние, на которое вы можете их раздвинуть в результате поляризации достаточное, т. е. работа внешнего электрического поля на этом расстоянии достаточна, чтобы их материализовать. Электрическое поле там уменьшается, либо то, что поддерживает его постоянным, совершает дополнительную работу по рождению пар.
Другой эффект — эффект Швингера. Швингер был первым, кто просчитал это явление достаточно детально. Но на эту тему много кто писал, и в Советском союзе много людей внесли в это важный вклад. Если поле меняется во времени, то рождение частиц можно достичь при меньших значениях полей. Я имею в виду не электромагнитную волну, которая не может рождать пары по определенным причинам — это бы противоречило законам сохранения энергии и импульса, а изменение электрического поля между конденсаторами во времени. За счет переменности рождение частиц происходит легче, чем за счет постоянного поля. Но и эффект менее красивый, и формулы менее красивые — очень важны свойства этих формул, они совсем необычные. Это одна из причин, почему хочется это явление измерить экспериментально.
Рождение пар может происходить не только в сильных электрических полях, но и в сильных гравитационных. Если у вас есть темная энергия или космологический вклад в уравнение, космологический член в уравнении Эйнштейна, то у вас происходит экспоненциальное расширение вселенной. За счет него тоже может происходить рождение частиц. Это значит, что свободно падающие тела будут друг от друга удаляться во Вселенной. За счет этого у вас есть вероятность раздвинуть на такое большое расстояние, что они материализуются. Вопрос в том, насколько сильно расширение, насколько велик вклад космологического члена в уравнение Эйнштейна. Это другое проявление, где рождение частиц тоже может происходить.
Третье явление — это эффект Хокинга. В результате коллапса звезды в черную дыру происходит следующее. Во-первых, у вас имеется переменное, меняющееся во времени гравитационное поле, оно может рождать частицы. В результате коллапса происходит излучение множества материй — отделение звезд, аккреционной материи вокруг них. Прошу не путать это с рождением частиц за счет переменного гравитационного поля. Даже если бы в результате коллапса не было разлета материи, все равно было бы рождение частиц просто за счет наличия меняющегося во времени гравитационного поля. Интересно, что во время коллапса звезду трясет, она достаточно интенсивно рождает частицы, а на его последней стадии тряска становится стационарной. Оказывается, что и излучение становится стационарным, то есть не зависящим от времени. Один из примеров стационарного излучения — температурное. Это то, что было посчитано Хокингом.
Все перечисленные эффекты происходят за счет того, что меняются свойства нулевых колебаний — без полей они обладают одними свойствами, при включении внешних полей происходит перестройка нулевых колебаний. То, что было до включения поля нулевым колебанием, после включения поля материализуется в виде частицы и реализуется в виде потока энергии или электрического тока. Это связанные явления — если есть электрический ток, то есть и поток энергии.
Большинство представителей научного сообщества не осознает, что в результате включений полей, в результате коллапса звезды в черную дыру, инфляционного расширения вселенной, включения и выключения сильного внешнего электрического поля происходит не только изменение свойств нулевых колебаний, но растет и заселенность уровней. Эффект может идти не только от изменения свойств нулевых колебаний, но и за счет того, что у вас появится возбуждение над нулевыми колебаниями. Это явление может оказаться не слабее, чем перестройка нулевых колебаний, и существенно изменить свойства потока энергии, электрического тока. Это недавнее наблюдение, которое еще не общепринято, но я принадлежу кругу людей, которые придерживаются этой точки зрения, и привел соответствующие вычисления.
Есть несколько важных черт. Первая — рождение частиц происходит не в момент, когда вы меняете поля, а после того, как включаете поле. В момент включения поля может произойти рождение частиц — зависит от того, как вы включаете. Вы включили поле (я имею в виду электрическое), довели его до какого-то состояния и поддерживаете постоянно. За счет постоянной части идет рождение частицы, точно так же в случае с Хокингом. Важно, что рождение частиц продолжается после того, как движение коллапса стационаризовалось, когда у вас в последней стадии коллапса уже есть стационарное движение. В самой начальной стадии коллапса звезду трясет, и по мере приближения к формированию черной дыры, она становится стационарной.
Если бы вы смогли включать и выключать космологический член, то рождение частиц происходило бы, но важно, что оно происходит при достижении постоянного стационарного значения. Хочу добавить, что в случае с эффектом Унру детектор начинает трясти при разгоне — этим фактом можно возбудить его внутренние степени свободы. Важно следующее: этот эффект будет присутствовать даже если включить ускорение адиабатически, очень медленно, чтобы внутренние степени свободы не возбуждались за счет включения, а потом очень медленно выключите — он все равно будет детектировать частицы в процессе стационарного ускорения вдоль линии или вдоль окружности.
В тех эффектах, где присутствуют внешние поля, существуют не только нулевые колебания, но и возбуждение более высоких уровней энергии. Интересно, что если вы включили поле и его не выключаете, держите постоянным, то вы не сможете этот поток разделить на частицы. Нельзя его понимать просто как поток частиц, потому что частицы удовлетворяют принципу суперпозиции. То есть вы можете одну частицу добавлять к другой, к третьей, но, когда поле не выключено и поддерживается постоянным, у вас может быть поток, а разделения его на частицы не будет — оно появится только тогда, когда вы выключите поле. Понимание этих эффектов важно, чтобы понимать, как устроен отклик на их рождение, например, в гравитационных полях: к чему это приводит для темной энергии, как это откликается на формирование черной дыры?
