Не сильно ошибаясь, современных физиков можно уподобить если не колдунам, то волшебникам. Иногда добрым, иногда злым…

Международная группа ученых опубликовала в журнале Nature работу, в которой описала эффекты, возникающие при скручивании тончайших слоев квантовых материалов. При повороте примерно на три градуса друг относительно друга возникает новое качество материи. Электронные зоны слоев становятся очень «плоскими». Это усиливает их взаимодействие и позволяет реализовать необычные квантовые эффекты. В некоторых случаях электроны могут группироваться в особые кристаллические узоры – например шестиугольные или так называемые кагоме-решетки. И все это в перспективе, как надеются физики, позволит получить квантовые жидкости, до сих пор неуловимые. Прагматический интерес тоже понятен – сверхпроводимость при высоких температурах.

В общем, возможные состояния материи, похоже, еще далеки от исчерпаемости. Но значительно более интригующий вопрос – откуда берется сама материя? Пусть и квантовая.

 

Живородящий вакуум

Теоретической физике уже давно пророчат стать всего лишь частью эстетики. Еще в 1993 году физик Дэвид Линдлей опубликовал статью The End of Phisics. Физики, работающие над теорией суперструн (космологическая теория, возникшая более 30 лет назад как попытка построения объединенной квантовой теории фундаментальных взаимодействий, включающей гравитацию. – В.А.), заявлял Линдлей, больше не занимаются физикой, потому что их теоретические выкладки никогда не могут быть подкреплены объективными экспериментами, а только субъективными критериями – элегантность и красота. Физике частиц, пришел к выводу Линдлей, грозит стать ветвью эстетики.

Согласно квантовой хромодинамике, если попытаться разорвать связь между кварками, энергия этой связи становится настолько огромной, что из вакуума появляются новые частицы и античастицы – буквально из «ничего». В эксперименте ученые впервые смогли воспроизвести этот процесс рождения пар частиц из вакуума с помощью программируемого квантового симулятора. Для этого понадобилось не менее 59 атомов, расположенных по схеме кагомэ, чтобы смоделировать ключевые взаимодействия сильных ядерных сил. «Мы впервые воспроизвели процесс рождения пар частиц из вакуума при помощи программируемого квантового симулятора», – пишут авторы публикации в Nature. Редакция отмечает: происхождение материи перестает быть чистой теорией – и становится управляемым процессом, доступным для наблюдения.

Опять же к этому status quo тоже подбирались постепенно. В 2021 году в международном научном журнале Optica появилась статья группы южнокорейских ученых из Центра релятивистской лазерной науки, Научно-исследовательского института передовой фотоники и кафедры физики и фотонных наук Института науки и технологий Кванджу. Физики смогли сконцентрировать излучение от мощного петаваттного лазера в пятно интенсивностью свыше 10²³ ватт на квадратный сантиметр. Зачем это нужно и чем это нам «грозит»?

Дело в том, что современная физика действительно научилась создавать материю – или по крайней мере наблюдать рождение частиц – из вакуума с помощью мощных лазеров. Это звучит как научная фантастика, но на самом деле основано на квантовой теории: вакуум – не абсолютная пустота, а бурлящее море виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают.

И вот сегодня впервые в истории ученые смогли экспериментально подтвердить, что материя может рождаться буквально из вакуума! Международная команда физиков под руководством Михаила Лукина из Гарварда провела уникальный эксперимент на квантовом симуляторе Aquila, который построен на основе 256 охлажденных нейтральных атомов, связанных между собой квантовыми связями и выстроенных в специальный узор. Этот узор – схема кагомэ, напоминающая японскую мозаику, – позволил максимально точно смоделировать поведение кварков, антикварков и глюонов, то есть элементарных частиц, отвечающих за сильные ядерные взаимодействия, склеивающих протоны и нейтроны в атомном ядре.

 

Российский физик-теоретик академик Валерий Рубаков в свое время, в 1998 году, отмечал:

«…физический вакуум – это очень нетривиальный объект. И многие свойства частиц прямо связаны со структурой вакуума. Аналогия здесь такая. Представьте себе, что у вас есть твердое тело; ...от того, в каком оно состоянии находится – в кристаллическом или аморфном, – зависит, как устроено возбуждение, какие волны, скажем, звуковые, как проходят в этом теле… Так вот, частицы – аналог этих волн, а вакуум – это аналог основного состояния, и от того, как оно устроено, конечно, зависит очень многое. Одна из наиболее увлекательных задач для теоретиков – узнать, как устроен вакуум, как устроена пустота. Это, может быть, звучит немного парадоксально. Но это на самом деле очень серьезный вопрос. Если вам удалось выяснить, как устроен вакуум, после этого вы можете сказать, как устроена частица, которая может в нем распространяться».

К этому состоянию физики и теоретики, и экспериментаторы сегодня подобрались вплотную. Когда ученые направляют сверхмощные лазеры (интенсивность излучения – триллионы ватт на квадратный сантиметр) на тонкую металлическую фольгу или фокусируют несколько лучей в одной точке, их электромагнитные поля становятся настолько сильными, что способны «вытолкнуть» эти виртуальные частицы в реальность. В результате возникают пары электрон–позитрон – частицы материи и антиматерии.

Недавно физики даже смоделировали, как из вакуума появляется новый луч света – это так называемое четырехволновое смешение: три лазерных луча взаимодействуют с квантовым вакуумом, и рождается четвертый, буквально «свет из ничего».