Íå ñèëüíî îøèáàÿñü, ñîâðåìåííûõ ôèçèêîâ ìîæíî óïîäîáèòü åñëè íå êîëäóíàì, òî âîëøåáíèêàì. Èíîãäà äîáðûì, èíîãäà çëûì…

Ìåæäóíàðîäíàÿ ãðóïïà ó÷åíûõ îïóáëèêîâàëà â æóðíàëå Nature ðàáîòó, â êîòîðîé îïèñàëà ýôôåêòû, âîçíèêàþùèå ïðè ñêðó÷èâàíèè òîí÷àéøèõ ñëîåâ êâàíòîâûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðè ïîâîðîòå ïðèìåðíî íà òðè ãðàäóñà äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà âîçíèêàåò íîâîå êà÷åñòâî ìàòåðèè. Ýëåêòðîííûå çîíû ñëîåâ ñòàíîâÿòñÿ î÷åíü «ïëîñêèìè». Ýòî óñèëèâàåò èõ âçàèìîäåéñòâèå è ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü íåîáû÷íûå êâàíòîâûå ýôôåêòû.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ýëåêòðîíû ìîãóò ãðóïïèðîâàòüñÿ â îñîáûå êðèñòàëëè÷åñêèå óçîðû – íàïðèìåð øåñòèóãîëüíûå èëè òàê íàçûâàåìûå êàãîìå-ðåøåòêè. È âñå ýòî â ïåðñïåêòèâå, êàê íàäåþòñÿ ôèçèêè, ïîçâîëèò ïîëó÷èòü êâàíòîâûå æèäêîñòè, äî ñèõ ïîð íåóëîâèìûå. Ïðàãìàòè÷åñêèé èíòåðåñ òîæå ïîíÿòåí – ñâåðõïðîâîäèìîñòü ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ.
 îáùåì, âîçìîæíûå ñîñòîÿíèÿ ìàòåðèè, ïîõîæå, åùå äàëåêè îò èñ÷åðïàåìîñòè. Íî çíà÷èòåëüíî áîëåå èíòðèãóþùèé âîïðîñ – îòêóäà áåðåòñÿ ñàìà ìàòåðèÿ? Ïóñòü è êâàíòîâàÿ.
Æèâîðîäÿùèé âàêóóì
Òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêå óæå äàâíî ïðîðî÷àò ñòàòü âñåãî ëèøü ÷àñòüþ ýñòåòèêè. Åùå â 1993 ãîäó ôèçèê Äýâèä Ëèíäëåé îïóáëèêîâàë ñòàòüþ The End of Phisics. Ôèçèêè, ðàáîòàþùèå íàä òåîðèåé ñóïåðñòðóí (êîñìîëîãè÷åñêàÿ òåîðèÿ, âîçíèêøàÿ áîëåå 30 ëåò íàçàä êàê ïîïûòêà ïîñòðîåíèÿ îáúåäèíåííîé êâàíòîâîé òåîðèè ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé, âêëþ÷àþùåé ãðàâèòàöèþ. – Â.À.), çàÿâëÿë Ëèíäëåé, áîëüøå íå çàíèìàþòñÿ ôèçèêîé, ïîòîìó ÷òî èõ òåîðåòè÷åñêèå âûêëàäêè íèêîãäà íå ìîãóò áûòü ïîäêðåïëåíû îáúåêòèâíûìè ýêñïåðèìåíòàìè, à òîëüêî ñóáúåêòèâíûìè êðèòåðèÿìè – ýëåãàíòíîñòü è êðàñîòà. Ôèçèêå ÷àñòèö, ïðèøåë ê âûâîäó Ëèíäëåé, ãðîçèò ñòàòü âåòâüþ ýñòåòèêè.
Ñîãëàñíî êâàíòîâîé õðîìîäèíàìèêå, åñëè ïîïûòàòüñÿ ðàçîðâàòü ñâÿçü ìåæäó êâàðêàìè, ýíåðãèÿ ýòîé ñâÿçè ñòàíîâèòñÿ íàñòîëüêî îãðîìíîé, ÷òî èç âàêóóìà ïîÿâëÿþòñÿ íîâûå ÷àñòèöû è àíòè÷àñòèöû – áóêâàëüíî èç «íè÷åãî».  ýêñïåðèìåíòå ó÷åíûå âïåðâûå ñìîãëè âîñïðîèçâåñòè ýòîò ïðîöåññ ðîæäåíèÿ ïàð ÷àñòèö èç âàêóóìà ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììèðóåìîãî êâàíòîâîãî ñèìóëÿòîðà. Äëÿ ýòîãî ïîíàäîáèëîñü íå ìåíåå 59 àòîìîâ, ðàñïîëîæåííûõ ïî ñõåìå êàãîìý, ÷òîáû ñìîäåëèðîâàòü êëþ÷åâûå âçàèìîäåéñòâèÿ ñèëüíûõ ÿäåðíûõ ñèë. «Ìû âïåðâûå âîñïðîèçâåëè ïðîöåññ ðîæäåíèÿ ïàð ÷àñòèö èç âàêóóìà ïðè ïîìîùè ïðîãðàììèðóåìîãî êâàíòîâîãî ñèìóëÿòîðà», – ïèøóò àâòîðû ïóáëèêàöèè â Nature. Ðåäàêöèÿ îòìå÷àåò: ïðîèñõîæäåíèå ìàòåðèè ïåðåñòàåò áûòü ÷èñòîé òåîðèåé – è ñòàíîâèòñÿ óïðàâëÿåìûì ïðîöåññîì, äîñòóïíûì äëÿ íàáëþäåíèÿ.
Îïÿòü æå ê ýòîìó status quo òîæå ïîäáèðàëèñü ïîñòåïåííî.  2021 ãîäó â ìåæäóíàðîäíîì íàó÷íîì æóðíàëå Optica ïîÿâèëàñü ñòàòüÿ ãðóïïû þæíîêîðåéñêèõ ó÷åíûõ èç Öåíòðà ðåëÿòèâèñòñêîé ëàçåðíîé íàóêè, Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêîãî èíñòèòóòà ïåðåäîâîé ôîòîíèêè è êàôåäðû ôèçèêè è ôîòîííûõ íàóê Èíñòèòóòà íàóêè è òåõíîëîãèé Êâàíäæó. Ôèçèêè ñìîãëè ñêîíöåíòðèðîâàòü èçëó÷åíèå îò ìîùíîãî ïåòàâàòòíîãî ëàçåðà â ïÿòíî èíòåíñèâíîñòüþ ñâûøå 1023 âàòò íà êâàäðàòíûé ñàíòèìåòð. Çà÷åì ýòî íóæíî è ÷åì ýòî íàì «ãðîçèò»?
Äåëî â òîì, ÷òî ñîâðåìåííàÿ ôèçèêà äåéñòâèòåëüíî íàó÷èëàñü ñîçäàâàòü ìàòåðèþ – èëè ïî êðàéíåé ìåðå íàáëþäàòü ðîæäåíèå ÷àñòèö – èç âàêóóìà ñ ïîìîùüþ ìîùíûõ ëàçåðîâ. Ýòî çâó÷èò êàê íàó÷íàÿ ôàíòàñòèêà, íî íà ñàìîì äåëå îñíîâàíî íà êâàíòîâîé òåîðèè: âàêóóì – íå àáñîëþòíàÿ ïóñòîòà, à áóðëÿùåå ìîðå âèðòóàëüíûõ ÷àñòèö, êîòîðûå ïîñòîÿííî ïîÿâëÿþòñÿ è èñ÷åçàþò.
È âîò ñåãîäíÿ âïåðâûå â èñòîðèè ó÷åíûå ñìîãëè ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðäèòü, ÷òî ìàòåðèÿ ìîæåò ðîæäàòüñÿ áóêâàëüíî èç âàêóóìà! Ìåæäóíàðîäíàÿ êîìàíäà ôèçèêîâ ïîä ðóêîâîäñòâîì Ìèõàèëà Ëóêèíà èç Ãàðâàðäà ïðîâåëà óíèêàëüíûé ýêñïåðèìåíò íà êâàíòîâîì ñèìóëÿòîðå Aquila, êîòîðûé ïîñòðîåí íà îñíîâå 256 îõëàæäåííûõ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ, ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé êâàíòîâûìè ñâÿçÿìè è âûñòðîåííûõ â ñïåöèàëüíûé óçîð. Ýòîò óçîð – ñõåìà êàãîìý, íàïîìèíàþùàÿ ÿïîíñêóþ ìîçàèêó, – ïîçâîëèë ìàêñèìàëüíî òî÷íî ñìîäåëèðîâàòü ïîâåäåíèå êâàðêîâ, àíòèêâàðêîâ è ãëþîíîâ, òî åñòü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, îòâå÷àþùèõ çà ñèëüíûå ÿäåðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ, ñêëåèâàþùèõ ïðîòîíû è íåéòðîíû â àòîìíîì ÿäðå.
Ðîññèéñêèé ôèçèê-òåîðåòèê àêàäåìèê Âàëåðèé Ðóáàêîâ â ñâîå âðåìÿ, â 1998 ãîäó, îòìå÷àë:

«…
ôèçè÷åñêèé âàêóóì – ýòî î÷åíü íåòðèâèàëüíûé îáúåêò. È ìíîãèå ñâîéñòâà ÷àñòèö ïðÿìî ñâÿçàíû ñî ñòðóêòóðîé âàêóóìà. Àíàëîãèÿ çäåñü òàêàÿ. Ïðåäñòàâüòå ñåáå, ÷òî ó âàñ åñòü òâåðäîå òåëî; ...îò òîãî, â êàêîì îíî ñîñòîÿíèè íàõîäèòñÿ – â êðèñòàëëè÷åñêîì èëè àìîðôíîì, – çàâèñèò, êàê óñòðîåíî âîçáóæäåíèå, êàêèå âîëíû, ñêàæåì, çâóêîâûå, êàê ïðîõîäÿò â ýòîì òåëå… Òàê âîò, ÷àñòèöû – àíàëîã ýòèõ âîëí, à âàêóóì – ýòî àíàëîã îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ, è îò òîãî, êàê îíî óñòðîåíî, êîíå÷íî, çàâèñèò î÷åíü ìíîãîå. Îäíà èç íàèáîëåå óâëåêàòåëüíûõ çàäà÷ äëÿ òåîðåòèêîâ – óçíàòü, êàê óñòðîåí âàêóóì, êàê óñòðîåíà ïóñòîòà. Ýòî, ìîæåò áûòü, çâó÷èò íåìíîãî ïàðàäîêñàëüíî. Íî ýòî íà ñàìîì äåëå î÷åíü ñåðüåçíûé âîïðîñ. Åñëè âàì óäàëîñü âûÿñíèòü, êàê óñòðîåí âàêóóì, ïîñëå ýòîãî âû ìîæåòå ñêàçàòü, êàê óñòðîåíà ÷àñòèöà, êîòîðàÿ ìîæåò â íåì ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ».
Ê ýòîìó ñîñòîÿíèþ ôèçèêè è òåîðåòèêè, è ýêñïåðèìåíòàòîðû ñåãîäíÿ ïîäîáðàëèñü âïëîòíóþ. Êîãäà ó÷åíûå íàïðàâëÿþò ñâåðõìîùíûå ëàçåðû (èíòåíñèâíîñòü èçëó÷åíèÿ – òðèëëèîíû âàòò íà êâàäðàòíûé ñàíòèìåòð) íà òîíêóþ ìåòàëëè÷åñêóþ ôîëüãó èëè ôîêóñèðóþò íåñêîëüêî ëó÷åé â îäíîé òî÷êå, èõ ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ ñòàíîâÿòñÿ íàñòîëüêî ñèëüíûìè, ÷òî ñïîñîáíû «âûòîëêíóòü» ýòè âèðòóàëüíûå ÷àñòèöû â ðåàëüíîñòü.  ðåçóëüòàòå âîçíèêàþò ïàðû ýëåêòðîí–ïîçèòðîí – ÷àñòèöû ìàòåðèè è àíòèìàòåðèè.
Íåäàâíî ôèçèêè äàæå ñìîäåëèðîâàëè, êàê èç âàêóóìà ïîÿâëÿåòñÿ íîâûé ëó÷ ñâåòà – ýòî òàê íàçûâàåìîå ÷åòûðåõâîëíîâîå ñìåøåíèå: òðè ëàçåðíûõ ëó÷à âçàèìîäåéñòâóþò ñ êâàíòîâûì âàêóóìîì, è ðîæäàåòñÿ ÷åòâåðòûé, áóêâàëüíî «ñâåò èç íè÷åãî».