Бесконечно малый микромир

Вы когда-нибудь пробовали представить себе бесконечность? Нет, не математическое понятие, обозначаемое в формулах лежащей на боку восьмёркой, а самое что ни на есть физическое? Пробовали вообразить себе бесконечно малое или бесконечно большое значение какой-нибудь реальной физической величины — например, расстояния? Нет? Тогда давайте попробуем сделать это вместе.

За далью — даль

Как ни странно, с бесконечно большими расстояниями всё обстоит несколько проще, чем с бесконечно малыми. Проще в том смысле, что никаких ограничений, кроме мощности телескопов и прочих наблюдающих за Вселенной устройств, мы не имеем.

Есть и хороший ориентир — скорость света, которая в нашем с вами мире, или, научно выражаясь, физическом континууме «пространство — время», равна 300 тысячам километров в секунду.

Дальше всё относительно просто. Если считать, что возраст Вселенной составляет примерно 15 миллиардов лет и с момента её зарождения (Большого взрыва) материя разлетается во все стороны со скоростью света, то, умножив скорость на время, мы получим размер нашей Вселенной. Это огромная величина, которую по сравнению с размерами обжитого нами мира поистине можно назвать бесконечно большой.

Но человеческое воображение не терпит никаких рамок и границ. Сразу же возникает вопрос: а что там, за пределами Вселенной? А вот это пока неизвестно.

Может быть, там полная пустота. Может, другая Вселенная, похожая на нашу. Или, наоборот, континуум с совершенно другими физическими законами, где скорость света, скажем, равна миллиону километров в секунду, а отношение длины окружности к её диаметру вовсе не число «пи», равное 3,1415928… а идеально ровная и красивая «тройка».

В принципе, за этими невероятно огромными расстояниями может быть всё что угодно. И когда-нибудь мы об этом непременно узнаем.

Квантовый предел: дальше хода нет?

Иное дело — расстояния в микромире. Углубляясь в микроструктуру пространства, мы вынуждены столкнуться с определённым ограничением, остановиться на пороге, за который физические законы нашего мира пока не желают нас пускать.

У этого порога есть собственное название — Стандартный квантовый предел (СКП). Эта не что иное, как ограничение точности, с которой мы можем измерить расстояния в мире элементарных частиц, из которых состоят атомы и частицы атомов.

Напомним, элементарная частица имеет двойственную природу: она проявляет одновременно свойства и частицы, и волны. Из-за этого для описания её свойств требуется механика не обычная, а квантовая.

В основе квантовой механики лежит принцип неопределённости Гейзенберга, суть которого заключается в следующем: мы не можем одновременно точно измерить импульс частицы и её координату в пространстве. Неизбежна погрешность измерения или координаты, или импульса частицы. Величина этой погрешности и определяет стандартный квантовый предел.

Это трудно представить себе и ещё труднее понять; но давайте вообразим, что мы вооружились своеобразной «микролинейкой» и отправились измерять микрорасстояния.

Лазер — это наше всё

Так же, как и в случае с гигантскими космическими расстояниями, нашим ориентиром и инструментом будет свет. Но не обычный свет, а лазерный луч — мощный пучок световых фотонов одной длины волны. Как же проводятся измерения с помощью такой «линейки»?

Предположим, нам нужно измерить расстояние до какого-то объекта с очень большой точностью — в миллиардные доли миллиметра. Мы направляем на объект лазерный луч, длину волны и начальную фазу которого мы устанавливаем сами, и через какие-то ничтожно малые доли секунды получаем отражённый луч. По фазе отражённого луча мы можем вычислить точное расстояние, пройденное лучом «туда» и «обратно». Но лазерный луч не просто «прогулялся» до объекта и обратно; своим давлением он вызвал «дрожание» элементарных частиц, так называемый квантовый шум, что дало пусть крошечную, но все же погрешность измерения. Дальше получается замкнутый круг. Чем точнее нужно измерить расстояние, тем мощнее должен быть лазерный луч. Но чем мощнее лазерный луч, тем сильнее будут вызываемый им «квантовый шум» и, следовательно, погрешность.

Ловушка для гравитационных волн

А между тем физикам совершенно необходимо если не обойти стандартный квантовый предел, то хотя бы максимально приблизиться к нему. Особенно активно решением этой проблемы занимаются учёные проекта LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — гравитационно-волновой обсерватории).

Детектор LIGO имеет довольно простую, хотя и громоздкую конструкцию: два туннеля длиной несколько километров, которые сходятся под прямым углом. В дальних концах туннелей, из которых очень тщательно, до состояния глубокого вакуума, откачан воздух, установлены специальные зеркала. Когда до Земли доходит гравитационная волна, родившаяся в невообразимой дали от столкновения сверхмассивных объектов, расстояние между зеркалами меняется на некую ничтожно малую, из-за слабости воздействия волны, величину. Единственный способ измерить такое ничтожно малое изменение расстояния — лазерный луч, но…

Если оперировать относительными понятиями, то эта величина, как правило, так же мала, как велико расстояние от Солнца до соседней звёздной системы: 10 в минус шестнадцатой степени метра здесь, 10 в плюс шестнадцатой степени метров (то есть единица с 16 нулями) там.

Поэтому до событий февраля 2016 года, когда исследователям LIGO «повезло» поймать более мощную гравитационную волну от столкновения двух чёрных дыр общей массой около 60 солнечных, столкновения, произошедшего на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Солнечной системы, все результаты лазерных измерений не выходили за пределы погрешностей.

И все же у физиков есть надежда, что в недалёком будущем им удастся поставить ловлю гравитационных волн, что называется, на поток. Эта надежда связана с использованием особых кристаллов, проходя через которые лазерный луч может вызвать в отражающем веществе значительно меньший «квантовый шум» — а значит, уменьшатся и погрешности измерения расстояния между зеркалами. Состояние «сжатого света», возникающее при использовании таких кристаллов, по предварительным расчётам, позволит достичь очень высокой точности измерения, вплоть до размера элементарной частицы…

Иными словами, стандартный квантовый предел, установленный законами квантовой механики, не просто появился для нас в «зоне видимости», но и может быть, в ближайшее время, подвергнут нешуточному лазерному штурму.

…Но это уже, как говаривали в своё время знаменитые фантасты Аркадий и Борис Стругацкие, совсем другая история.