Сила пустоты. Квантовые флуктуации вакуума сулят технологические прорывы

Очередные научные достижения снова и снова доказывают, что мы очень многого не знаем, в чем я лишний раз убедилась, ознакомившись с темой, которой занимается научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Владимир ГОЙ из Дальневосточного федерального университета. Молодой ученый исследует конформную аномалию и непертурбативный режим в эффекте Казимира в решеточной калибровочной теории поля. По его утверждению, из такой, казалось бы, сугубо теоретической темы могут следовать вполне практические и даже фантастические результаты, например, левитация. Неудивительно, что «Поиск» заинтересовался этой работой, удостоенной гранта Президента РФ.

– Что такое эффект Казимира?

– Эффект Казимира назван в честь голландского физика Хендрика Казимира, который жил в прошлом веке. В своей статье 1948 года он предсказал появление дополнительной силы между двумя параллельными, незаряженными, идеально проводящими поверхностями, которые расположены на близком расстоянии друг от друга. Эта сила старается притянуть две поверхности друг к другу.

– Эффект самонаводящихся диполей?

– В том-то и дело, что нет. Это именно эффект Казимира, связанный с тем, что вакуум между поверхностями и вакуум вне поверхностей различаются, то есть плотность энергии разная. В 1957 году этот эффект был подтвержден экспериментально. Измеряли силу притяжения двух пластин на малом расстоянии. Сам эксперимент вроде простой, но техника измерения силы достаточно сложная.

Теперь чуть подробнее о том, чем же вызван этот эффект. Причина кроется в свойствах физического вакуума, в котором постоянно происходят процессы рождения и исчезновения частиц. В присутствии материи появляются граничные условия (на плоских поверхностях или других более сложных геометрических структурах), которые могут существенно изменить спектр колебаний вакуума, вследствие чего и появляется сила Казимира. Таким образом, этот эффект – наблюдаемое проявление свойств квантовых флуктуаций, происходящих в вакууме.
Явление, схожее с эффектом Казимира, заметили еще в XVIII веке моряки. Когда два корабля, раскачивающиеся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии примерно 40 метров и менее, то в результате интерференции волн в пространстве между суднами прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних бортов кораблей. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть судна бортами.

– Эффект Бернулли?

– Опять нет. Все намного загадочнее.
– Любопытно. Вы изучаете конформную аномалию и непертурбативный режим. Что это такое?
– Аномалиями в физике называют явления, которые «запрещены» по законам классической науки, но проявляются на квантовом уровне. Конформная аномалия обусловлена нарушением конформной (масштабной) симметрии. Последняя связана с преобразованиями сжатия или растяжения (с уменьшением или увеличением системы и всех ее объектов в одинаковое число раз). При выполнении таких преобразований уравнения, описывающие эту систему, не изменятся (если симметрия реализуется), а вот при конформной аномалии имеют место процессы, которые нарушают изначальную конформную симметрию.
Внешнее воздействие на систему может приводить к существенным изменениям ее внутренней структуры. Обычно такой отклик трудно поддается аналитическим методам решения, особенно в непертурбативном режиме. Под таким режимом понимается невозможность применения стандартной теории возмущения для получения результатов.
Именно поэтому в своих исследованиях я использую решеточные расчеты. Это численные симуляции (иными словами, моделирование на компьютере) теории, поля которой заданы в дискретных точках на пространственно-временной решетке. Такой метод – единственный, который можно использовать в теории сильных взаимодействий (квантовая хромодинамика – КХД), и он способен описать явление конфайнмента.

– А это что такое?

– Согласно Стандартной модели протоны и нейтроны (частицы, участвующие в сильном взаимодействии) состоят из кварков. Но никто никогда кварков не видел. Вот электрон мы можем увидеть, а кварк – нет, что связано с явлением конфайнмента (удержания) цвета (это квантовое число у кварка, как электрический заряд у электрона). Конфайнмент выражается в невозможности получить кварки в свободном состоянии, поскольку в экспериментах наблюдаются только их связанные состояния из двух-пяти таких частиц. Это явление еще не объяснили аналитическими методами из лагранжиана (функция обобщенных координат, описывающая эволюцию системы) Стандартной модели. Загадка конфайнмента – проблема тысячелетия, за ее решение дают миллион долларов.

– Насколько важна та тема, которую вы исследуете? Где она может быть востребована?

– Я занимаюсь теоретической физикой. Сегодня я сконцентрировался на нескольких темах – исследовании структуры пространства-времени, а также свойств вакуума и их изменений во внешних полях в присутствии граничных условий. Если говорить про эффект Казимира, то он может привести и к практическим бонусам. Например, «классическая» сила Казимира притягивает два объекта друг к другу. Но не стоит забывать о геометрии поверхностей, на которых заданы казимировские граничные условия, потому что есть варианты геометрий, которые приводят к отталкиванию. Все это говорит о том, что этот эффект можно использовать в технике – для уменьшения силы трения, например, создания подшипников без трения. Отталкивание – это шаг к левитации.

– Ого! Это реально?

– Конечно, величина силы Казимира небольшая. Эти силы наблюдаются на маленьких дистанциях. Но, возможно, исследование влияния внешних факторов и электромагнитных полей поможет значительно увеличить эту силу или сделать ее видимой на больших масштабах.

– Как вы изучаете такое неуловимое явление?

– С помощью метода решеточных расчетов. Изначально он появился как метод регуляризации в теории сильных взаимодействий. И только после успешного применения решеточной квантовой хромодинамики в описании теории сильных взаимодействий его стали применять и в других теоретико-полевых задачах. Стоит отметить, что решеточные методы существовали задолго до КХД, применялись в физике конденсированного состояния.
Решетку как метод регуляризации калибровочной теории поля впервые использовал Вильсон в 1974 году. Кстати, именно КХД является основной областью моих исследований. Изучив решеточные расчеты в КХД, мы применили их и для исследования эффекта Казимира.

– Вы уже получили какие-то результаты?

– Да, но прежде я хочу рассказать о моих соавторах, так как в исследованиях участвовал не только я. У нас в ДВФУ достаточно молодая теоретическая группа, которая творит благодаря моему научному руководителю доктору физико-математических наук Александру Валентиновичу Молочкову.
Десять лет назад мы начали заниматься решеточными расчетами вместе с теоретической группой из московского Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова. В то время ее руководителем был доктор физико-математических наук Михаил Игоревич Поликарпов. Обмениваясь опытом с его группой, мы увлеклись решеточными расчетами. Спасибо ему за это. Сейчас мы вместе занимаемся исследованиями во многих областях теоретической физики.
Около четырех лет назад ученик М.Поликарпова доктор физико-математических наук Максим Николаевич Чернодуб предложил нам заняться исследованием эффекта Казимира. Это был стартовый проект, который сейчас вылился во множество совместных плодотворных исследовательских тем.

К изучению эффекта Казимира мы приступили в 2016 году и уже опубликовали четыре статьи: три из них – в Physical Review D, одну – в 2018 году в Physical Review Letters. Конформную аномалию мы начали изучать сравнительно недавно и подготовили статью «Конформный магнитный эффект на границе: численное исследование в скалярной квантовой электродинамике», которую опубликовали Physical Review Letters в 2019 году. В ней мы исследуем квантовые поляризационные эффекты, связанные с конформной аномалией на фоне статического магнитного поля, которые могут генерировать поперечный электрический ток в вакууме в окрестности границы.
В общем счете за 2019 год мы подготовили около шести работ, четыре из которых уже опубликованы, одну отправили в журнал Physical Review Letters, еще одна находится на финальной стадии для отправки в журнал Physical Review D.

Самый интересный результат исследования эффекта Казимира, на мой взгляд, опубликован в последней нашей работе в Physical Review Letters. В ней мы впервые изучаем его в контексте теории Янга-Миллса. Эта теория является частью КХД и отвечает за физику переносчиков взаимодействия.
Например, в квантовой электродинамике переносчиком взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Другими словами, фотон – это частичка света, того самого, который попадает к нам в глаза и формирует картинку на сетчатке. В КХД таким переносчиком является глюон. Разница между фотоном и глюоном в том, что фотон не переносит заряд (электромагнитный), а глюон переносит цветовой заряд, и здесь под цветом подразумевается квантовое число теории сильных взаимодействий.

Работая в двух пространственных измерениях при нулевой температуре, мы обнаружили, что близко расположенные идеальные хромоэлектрические проводники притягивают друг друга. При большом расстоянии между проводниками притяжение экспоненциально подавляется новой массивной величиной, массой Казимира, которая неожиданно отличается от самой низкой массы глюбола. Глюбол – это связанное состояние глюонов.

Кажущееся появление нового массивного масштаба может быть результатом обратной реакции вакуума на наличие пластин, поскольку достаточно близкие хромоэлектрические проводники индуцируют в пространстве между ними плавный переход из фазы конфайнмента к фазе деконфайнмента цвета.

– Что у вас в планах?

– Основное направление моего интереса – познание природы, свойств структуры пространства-времени. Именно изменение в понимании таких категорий приводит к значительному прогрессу в теоретической физике. Ну, и, конечно, нужно защитить докторскую к 35 годам, растить детей, купить квартиру, поработать за границей, чтобы потом вернуться домой.

Фирюза Янчилина

Источник: Поиск