Фізики заявляють, що навіть в ідеальному вакуумі може бути тертя

Один з фундаментальних постулатів сучасної фізики свідчить, що в середовищі ідеального вакууму – просторі, не містить будь-яку матерію, – не може існувати такого процесу, як тертя, бо повністю порожній простір не може впливати цією силою на об'єкти, що проходять через нього.

Незважаючи на це загальноприйнята думка, фізики з Великобританії встановили, що атом розпадається, що проходить через середовище повного вакууму, буде відчувати вплив фрикційної сили. Більше того, вчені змогли з'ясувати, що це явище швидше підкріплює, а не спростовує загальну теорію відносності Ейнштейна.

«Ми витратили чимало часу на пошук можливих помилок у розрахунках і ще більше, вивчаючи інші дивні нестиковки, поки не виявили, як виявилося, досить очевидного рішення», — розповів порталу Phys.org Маттіас Соннлайтнер з Університету Глазго.

При проведенні розрахунків для передбачення поведінки розпадається атома, яка рухалась через ідеальний вакуум, Соннлайтнер і його колеги виявили дещо дивне. Фізикам давно відомо, що ідеальний вакуум не може прикладати якісь сили на атоми, проте все ж здатний особливим чином з ними взаємодіяти.

До цього моменту вчені не здатні створити умови ідеального вакууму, тому що ніякої рівень перевірок не в змозі забезпечити чистоту експерименту, створивши впевненість у тому, що який-небудь атом не просочиться всередину цього простору. Однак розрахунки пророкують, що теоретичний ідеальний вакуум насправді буде заповнений своєї власної особливою енергією, а також «віртуальними» з парами частинок-античастинок, що володіють можливістю несподівано з'являтися і так само несподівано зникати.

Це опис ідеального «порожнього, але не порожнього» вакууму випливає із аспекти квантової механіки, що носить назву принципу невизначеності Гейзенберга, який говорить про незліченних теоретичних віртуальних частинках, що з'являються і зникають в вакуумі у випадковий момент часу. Ці квантові зрушення створюють випадкові флуктуирующие електричні поля, і розрахунки команди з Глазго описують, як ці поля можуть взаємодіяти з атомами, що рухаються в цей момент через простір вакууму, поглинаючи енергію і переходячи в збуджений стан.

У міру того, як знаходиться в стані збудження атом буде розпадатися на більш низьке енергетичний стан, він буде здатний у випадковому напрямку излучить фотон (частку світла). Дослідники розрахували, що коли атом рухається буде випромінювати фотон в протилежному напрямку свого руху, то в цей момент буде створюватися фрикційна сила, яка буде відображена у вигляді зниження швидкості руху цього атома. Якщо на практиці це дійсно так, то це суперечитиме принципу відносності, оскільки в даному випадку буде матися на увазі, що «спостерігач», в залежності від того, де він буде знаходитися щодо цього атома, повинен буде бачити атом, що рухається з різною швидкістю.

Соннлайтнер каже, що його команда витратила тижні на те, щоб знайти правильну відповідь», і рішення звелося до несподівано простою формулою E = mc². Вчені зрозуміли, що атом розпадається в момент свого руху і випромінювання фотона у випадковому напрямку буде при цьому втрачати невеликий запас енергії, а також маси. Це кількість маси прийнято називати дефектом маси, і це значення настільки мізерно, що ніколи не вимірювалась в такому контексті раніше.

«Це та сама маса в знаменитому рівнянні E = mc² Ейнштейна, що описує кількість енергії, необхідна для поділу ядра атома на складові його протони і нейтрони. Її ще називають енергією зв'язку ядра. Термін широко застосовується в ядерній фізиці, яка має справу з великими енергіями зв'язку, але, як правило, вважається незначним в атомній оптиці, так як оперує дуже малими енергетичними значеннями».

Коли дослідники підставили значення дефекту маси у свої обчислення і використовували формулу E = mc² для вирішення, вони виявили, що при втраті незначного значення маси при розпаді атом насправді втрачає імпульс, а не швидкість.

У відносинах між тертям, імпульсом і швидкістю, де тертя розглядалося б як результат зміни імпульсу внаслідок втрати швидкості, вчені розглядають втрату імпульсу в якості результату зміни маси атома. Його швидкість при цьому залишається постійною, як і повинна. Таким чином, наявність тертя у вакуумі не порушує теорію відносності. Насправді подібна поведінка передбачено в спеціальної теорії відносності, де говориться, що втрата маси здатна викликати ледь помітну втрату імпульсу.

«Своїми розрахунками ми показали, що розпадається атом дійсно стикається з силою, що має схожість з тертям. Однак ця сила представлена у вигляді зміни імпульсу внаслідок зміни внутрішнього значення маси і енергії атома, і вона зовсім не пов'язана з його уповільненням».

Тепер дослідники хочуть перевірити, чи буде проявлятися цей феномен, якщо атом буде поглинати, а не випромінювати фотон. І можливо, цю інформацію можна буде використовувати для пояснення результатів ще одного дослідження, яке теж натякало на наявність тертя в ідеальному вакуумі. У 2011 році фізики припустили, що вакуум може володіти тертям, якщо великий обсягперебувають у ньому «віртуальних частинок буде рухатися в протилежну сторону, що знаходиться в ньому фізичного об'єкта.

Довести це в реальних умовах поки не вдалося, але одна річ відома, напевно, вже зараз: дивні речі іноді відбуваються у повній порожнечі.