28.02.2017

Физики заявляют, что даже в идеальном вакууме может быть трение

Один из фундаментальных постулатов современной физики гласит, что в среде идеального вакуума – пространстве, не содержащем какую-либо материю, – не может существовать такого процесса, как трение, потому как полностью пустое пространство не может воздействовать этой силой на объекты, проходящие через него.

Несмотря на это общепринятое мнение, физики из Великобритании установили, что распадающийся атом, проходящий через среду полного вакуума, будет испытывать воздействие фрикционной силы. Более того, ученые смогли выяснить, что это явление скорее подкрепляет, а не опровергает общую теорию относительности Эйнштейна.

«Мы потратили немало времени на поиск возможных ошибок в расчетах и еще больше, изучая другие странные нестыковки, пока не обнаружили, как оказалось, довольно очевидного решения», — рассказал Маттиас Соннлайтнер из Университета Глазго.

При проведении расчетов для предсказания поведения распадающегося атома, двигающегося через идеальный вакуум, Соннлайтнер и его коллеги обнаружили кое-что странное. Физикам давно известно, что идеальный вакуум не может прикладывать какие-либо силы на атомы, однако все же способен особым образом с ними взаимодействовать.

К настоящему моменту ученые не способны создать условия идеального вакуума, потому что никакой уровень проверок не в состоянии обеспечить чистоту эксперимента, создав уверенность в том, что какой-нибудь атом не просочится внутрь этого пространства. Однако расчеты предсказывают, что теоретический идеальный вакуум на самом деле будет заполнен своей собственной особой энергией, а также «виртуальными» парами из частиц-античастиц, обладающих возможностью неожиданно появляться и так же неожиданно исчезать.

Это описание идеального «пустого, но не пустого» вакуума вытекает из аспекта квантовой механики, носящего название принципа неопределенности Гейзенберга, который говорит о бесчисленных теоретических виртуальных частицах, появляющихся и исчезающих в вакууме в случайный момент времени. Эти квантовые сдвиги создают случайные флуктуирующие электрические поля, и расчеты команды из Глазго описывают, как эти поля могут взаимодействовать с атомами, двигающимися в этот момент через пространство вакуума, поглощая энергию и переходя в возбужденное состояние.

По мере того, как находящийся в состоянии возбуждения атом будет распадаться на более низшее энергетическое состояние, он будет способен в случайном направлении излучить фотон (частицу света). Исследователи рассчитали, что когда двигающийся атом будет излучать фотон в противоположном своему движению направлении, то в этот момент будет создаваться фрикционная сила, которая будет отображена в виде снижения скорости движения этого атома. Если на практике это действительно так, то это будет противоречить принципу относительности, поскольку в данном случае будет подразумеваться, что «наблюдатель», в зависимости от того, где он будет находиться относительно этого атома, должен будет видеть атом, двигающийся с разной скоростью.

Соннлайтнер говорит, что его команда «потратила недели на то, чтобы найти правильный ответ», и решение свелось к неожиданно простой формуле E = mc². Ученые поняли, что распадающийся атом в момент своего движения и излучения фотона в случайном направлении будет при этом терять небольшой запас энергии, а также массы. Это количество массы принято называть дефектом массы, и это значение настолько ничтожно, что никогда не измерялось в таком контексте раньше.

«Это та самая масса в знаменитом уравнении E = mc² Эйнштейна, которое описывает количество энергии, необходимое для разделения ядра атома на составляющие его протоны и нейтроны. Ее еще называют энергией связи ядра. Термин широко применяется в ядерной физике, которая имеет дело с большими энергиями связи, но, как правило, считается незначительным в атомной оптике, так как оперирует очень малыми энергетическими значениями».

Когда исследователи подставили значение дефекта массы в свои вычисления и использовали формулу E = mc² для решения, они обнаружили, что при потере незначительного значения массы при распаде атом на самом деле теряет импульс, а не скорость.

В отношениях между трением, импульсом и скоростью, где трение рассматривалось бы как результат изменения импульса вследствие потери скорости, ученые рассматривают потерю импульса в качестве результата изменения массы атома. Его скорость при этом остается постоянной, как и должна. Таким образом, наличие трения в вакууме не нарушает теорию относительности. На самом деле подобное поведение предсказано в специальной теории относительности, где говорится, что потеря массы способна вызывать едва заметную потерю импульса.

«Своими расчетами мы показали, что распадающийся атом действительно сталкивается с силой, имеющей сходство с трением. Однако эта сила представлена в виде изменения импульса вследствие изменения внутреннего значения массы и энергии атома, и она совсем не связана с его замедлением».

Теперь исследователи хотят проверить, будет ли проявляться этот феномен, если атом будет поглощать, а не излучать фотон. И возможно, эту информацию можно будет использовать для объяснения результатов еще одного исследования, которое тоже намекало на наличие трения в идеальном вакууме. В 2011 году физики предположили, что вакуум действительно может обладать трением, если большой объем находящихся в нем «виртуальных» частиц будет двигаться в противоположную сторону находящегося в нем физического объекта.

Доказать это в реальных условиях пока не удалось, но одна вещь известна наверняка уже сейчас: странные вещи порой происходят в полной пустоте.

Николай Хижняк

Источники:

1. hi-news.ru