Вакуум в современном представлении — это не пустота, а основное состояние в квантовой теории поля. Основное состояние в квантовой теории поля содержит нулевые колебания всевозможных полей, которые присутствуют в нашем мире: фотонов, электронов, позитронов и так далее. Эти нулевые колебания разным образом себя проявляют в квантовой теории поля. Об одном из таких проявлений нулевых колебаний в квантовой теории поля мы сейчас и поговорим — это называется эффект Унру.

Вопрос заключается в следующем: если вы возьмете детектор частиц, то есть какой-нибудь объект, который имеет внутренние степени свободы, в качестве детектора можно использовать, например, и человека, и сосиску. Важно, что его внутренние степени свободы могут возбуждаться. Он состоит из молекул, и эти молекулы могут возбуждать свои колебания. Если детектор движется с постоянной скоростью в вакууме, то его внутренние степени свободы не возбуждаются, он как бы находится в основном состоянии (неоткуда браться энергии на возбуждение его внутренних степеней свободы).

Если же взять детектор и начать ускорять, то оказывается, что из-за того, что вдоль его мировой линии нулевые колебания вакуума скоррелированы нетривиальным образом, то есть в разных точках траектории они имеют какую-то связь, он как бы скачет по кочкам, внутренние степени свободы детектора будут возбуждаться. Я хочу подчеркнуть, что выглядит все так, что один детектор, который там стоит в вакууме или движется с постоянной скоростью, не детектирует частицы, у другого же детектора, который двигается каким-то ускоренным образом, вдруг на циферблате кликает: одна, вторая, третья и так далее. Буквально так и будет — это то, что предсказывает квантовая теория поля. Никакой мистики в этом нет.

Вроде все три детектора находятся в пустоте. А почему же этот детектор, который движется с ускорением, детектирует частицы? Это связано с тем, что та сила, которая движет его вдоль мировой линии и ускоряет, совершает дополнительную работу. Если бы у детектора не было внутренних степеней свободы, то сила совершала бы работу по ускорению детектора, по увеличению его кинетической энергии. Из-за того, что у детектора есть внутренние степени свободы и он взаимодействует с нулевыми колебаниями вакуума, сила затрачивает дополнительную работу по возбуждению его внутренних степеней свободы. То есть никакого нарушения закона сохранения энергии, мистики в данном месте нет. Ничего не берется из ничего.

Как это можно сформулировать коллоквиально, без всяких детекторов? Так как в качестве детектора можно взять сосиску на сковородке, грубо говоря. Если эта сосиска на сковородке покоится в вакууме, то она не будет жариться — она будет абсолютно холодная. Если же ее начать ускорять, то ее можно поджарить. Начать ускорять — это значит, что она сначала стояла, потом ее какой-то механизм заставил двигаться с ускорением в течение какого-то конечного промежутка времени, но достаточно продолжительного, а потом прекратил — сосиска пожарится. Другое дело, чтобы эффект был ощутимый, чтобы он действительно привел к пожарке сосиски, ускорения должны быть огромными, такими, что они разрушат и сосиску, и сковородку, поэтому надо абстрагироваться в данном месте, а не понимать буквально, что я говорю.

Все это результат аналитических вычислений. Но я считаю, что этот эффект измерен экспериментально другим образом. Но можно задаться вопросом: почему же сосиску нужно ускорять вдоль линии? Есть же другой, очень характерный способ ускорения, например вращение. Вопрос: что произойдет, если сосиску сковородкой вращать? Аналитические вычисления показывают, что таким образом сосиску можно пожарить даже еще эффективней, чем если ускорять вдоль линии. Важно, что при движении по окружности скоррелированность нулевых колебаний вдоль мировой линии, отвечающих круговому движению, приводит к другому спектру. Если ускоряться вдоль прямой линии, то спектр такой, как планковский, как известно, термальный спектр, характеризующийся температурой, и при движении по окружности спектр отличается от планковского, но все равно из-за того, что возбуждается внутренняя степень свободы детектора, происходит пожар на сковороде.

Рекомендуем по этой теме:
38048
5 мифов об атомах
Где этот эффект при движении по окружности наблюдается? Если вы возьмете пучок электронов (а электроны обладают спином; нам неважно, какова природа этого спина, а важно, что каждый электрон является обычным магнитиком с северным и южным полюсом) и начнете вращать в кольце циклотрона с ультрарелятивистскими скоростями, близкими к скорости света, то электроны будут излучать очень интенсивно, будут излучать за счет своего заряда. И еще какая-то порция излучения будет за счет переворота магнитного момента электронов. Если эти электроны ультрарелятивистские, можно пренебречь тем, что мировая линия электронов резко меняется, можно их считать классическим детектором, который рукой водит по окружности. Если они ультрарелятивистские, с хорошим приближением, это верно.

Почему электроны двигаются по окружности? Потому что они находятся во внешнем, постоянном магнитном поле. Из-за того, что они имеют заряд, они двигаются по окружности, из-за того, что у них есть магнитный момент, им выгодно выстроить эти магнитные моменты вдоль магнитного поля. Но оказывается, что какая-то доля электронов обязательно будет перевернута, то есть будет находиться в возбужденном состоянии. Каждый электрон можно рассматривать как детектор с двумя уровнями энергии: магнитный момент вверх, магнитный момент вниз. Если бы эффекта, о котором я говорю, не было, то они бы все выстроились вдоль магнитного поля, а за счет этого эффекта 8% из них при ультрарелятивистских скоростях будут находиться в возбужденном состоянии, и это называется эффект Соколова — Тернова. Он был открыт в 1960-е годы, за это в советское время дали государственную премию. Это очень важный эффект, много раз проверенный.

Если посмотреть, как вычисляется явление с коррелированностью нулевых колебаний вдоль мировой линии вращающегося детектора, то вычисление такое же, как для линейного движения. На мой взгляд, это подтверждает, что эффект Унру тоже существует. То есть если для окружности он существует, то нет причин не верить, что для линии он тоже будет. Я могу сказать так, что если я возьму магнитное и электрическое поля сонаправленными и буду ускорять электроны вдоль линии, то им вроде бы энергетически выгодно вдоль того же магнитного поля, которое, так же как энергетическое, направленное, выстроиться вдоль магнитного поля. Но я утверждаю, что какой-то процент из них, в зависимости от величины магнитного и электрического поля, будет перевернут за счет эффекта Унру.

Другое дело, что, чтобы поставить эксперимент с линейным ускорением, потребуются очень сильные электрические и очень сильные магнитные поля, занимающие очень большой объем. В современных условиях, чтобы подтвердить этот эксперимент для линейного движения, возможности нет. Но достаточно посмотреть на вычисления, разобраться и понять, что эти два эффекта связаны.

Если вы посмотрите современную литературу, то очень часто утверждается, что эффект Унру связан с эффектом Хокинга, который у всех на слуху. Это эффект, связанный с тем, что черные дыры рождают частицы. Действительно, теория относительности утверждает, что если вы ускоряетесь, то есть если, например, вас поместили в лифт и тянут за этот лифт с ускорением g=10 м/c2 или же этот лифт висит над землей, то вы эти два состояния различить не сможете. Вы точно так же будете стоять в этом лифте, и если вы наружу лифта не выглядываете, то все явления для вас выглядят аналогично. Это утверждение, что однородное гравитационное поле от ускоренного не отличается.

Что утверждает эффект Хокинга? Он утверждает, что если вы поместите детектор над черной дырой, то он будет детектировать частицы спектром Планка. С другой стороны, эффект Унру говорит, что если вы возьмете детектор и будете ускорять вдоль линии, то он будет тоже мерить спектр с теми же характеристиками, поэтому многие, даже ученые, занимающиеся этой темой, утверждают, что эти два эффекта — одно и то же. На самом деле это не так, если присмотреться, потому что у вас детектор в пустоте ускоряется с постоянным ускорением, а с другой стороны — детектор, который рядом с ним просто покоится или двигается с постоянной скоростью и ничего не детектирует, то есть частиц в этом объеме нет. Весь эффект за счет того, что нулевые колебания скоррелированы вдоль мировой линии этого детектора. В то время как если детектор висит над черной дырой и мимо него какой-то детектор, например, свободно падает, то они будут оба детектировать какие-то частицы, отличающиеся спектром.

Рекомендуем по этой теме:
9096
Излучение Хокинга
С чем это связано? В случае с эффектом Унру все детекторы видят одно и то же состояние, вакуумное состояние в пространстве Минковского, просто один из детекторов видит это как пустоту, другой видит это как термальный поток частиц. В то время как в случае с Хокингом происходит изменение основного состояния квантовой теории поля за счет коллапса черной дыры. То есть меняются свойства вакуума за счет коллапса черной дыры вблизи черной дыры, и поэтому все детекторы будут детектировать что-то. Если вы находитесь не на горизонте черной дыры, а чуть-чуть отступили от него, все детекторы будут что-то детектировать. Один детектор будет это что-то детектировать похоже на Унру, а другой будет отлично от Унру. То есть если вы возьмете аналог детектора, который движется с постоянной скоростью в присутствии черной дыры, то его аналог — это свободно падающий детектор. Этот свободно падающий детектор тоже будет что-то детектировать.

Современная теория, на мой взгляд, ложная, она утверждает, что, пересекая горизонт событий, он ничего не будет детектировать, но вычисления показывают, что ничего не будет детектировать. Если же отступить чуть-чуть от горизонта событий, то он что-то будет детектировать при свободном падении, и это будет какой-то преобразованный спектр. На мой взгляд, глубокое понимание связи между разными эффектами важно для понимания того, что происходит с черными дырами, с детекторами и нулевыми колебаниями. Просто надо помнить, что эффект Хокинга — это изменение свойств вакуума, изменение свойств нулевых колебаний, в то время как эффект Унру связан просто с неменяющимися, но по-разному видимыми нулевыми колебаниями.