რა არის ვაკუუმი?

ალბათ ბევრს ჰგონია, რომ ვაკუუმი არის სივრცე, სადაც არაფერი არ არის, ანუ რომ ავიღოთ ჭურჭელი და იქიდან ამოვტუმბოთ ყველა ნაწილაკი, ყველა ატომი, მივიღებთ ვაკუუმს. კლასიკური გაგებით ვაკუუმი მართლაც ეს არის, მაგრამ სინამდვილეში არსებობს ვაკუუმის სხვა წარმოდგენაც , რომელიც გაცილებით რთულია და ძალიან საინტერესო, ამიტომაც აქ მინდა შევეცადო გაგაცნოთ ვაკუუმის სხვა წარმოდგენა, მაგრამ დავიწყებ ცოტა შორიდან, რათა უფრო მეტი ინფორმაცია მოგაწოდოთ და უფრო გასაგები იყოს.

მცირე მანძილებზე, კერძოდ 10^-6 სმ-ზე დაბალ მანძილებზე მოქმედებს კვანტური ფიზიკა და დაბალი სიჩქარეების შემთხვევაში მოვლენები აღიწერება შრედინგერის თეორიით, ხოლო მაღალი სიჩქარეების შემთხვევაში ადგილი აქვს რელატივისტურ კვანტურ მექანიკას და მოვლენები აღიწერება დირაკის თეორიით.
დირაკის თეორიაში ნაწილაკის ენერგია აღიწერება ენერგიის რელატივისტური ფორმულით: როგორც ვხედავთ გვაქვს ორი ფესვი, დადებითი და უარყოფითი, ე.ი გვაქვს ენერგიისთვის ორი მნიშვნელობა, დადებითი და უარყოფითი. კლასიკურ ფიზიკაში უარყოფით ნიშანს არ ითვალისწინებენ, რადგანაც კინეტიკური ენერგია არ შეიძლება იყოს უარყოფითი, წინააღმდეგ შემთხვევაში სიჩქარე გამოდის კომპლექსური, რაც სისულელეა.
ენერგიისთვის მიღებული უკანასკნელი ფორმულიდან სჩანს, რომ დადებითი ენერგიებისთვის მინიმალური მნიშვნელობა იქნება mc² -ის ტოლი, ხოლო უარყოფითი ენერგიებისთვის მაქსიმალური მნიშვნელობა იქნება -mc² -ის ტოლი, ე.ი არსებობს 2mc² -ის ტოლი შუალედი, საიდანაც ნაწილაკის ენერგიას არ შეუძლია მიიღოს მნიშვნელობა:

კლასიკურ ფიზიკაში ენერგია იცვლება უწყვეტად, მიღებული შედეგიდან გამომდინარე სჩანს, რომ სხეულისათვის უარყოფითი ენერგიის მისანიჭებლად საჭიროა ენერგიამ გააკეთოს 2mc² -ის ტოლი ნახტომი, ანუ ქონდეს წყვეტა, ამიტომაც კლასიკურ ფიზიკაში ნაწილაკს არ შეუძლია მიიღოს უარყოფითი ენერგია და უარყოფითი ნიშნის გათვალისწინება საჭიროებას არ წარმოადგენს. მაგრამ ყველაფერი სხვაგვარადაა კვანტურ ფიზიკაში, კერძოდ შესაძლებელია ელექტრონს, რომელსაც გააჩნია mc² -ზე მეტი ენერგია, შეუძლია გამოასხივოს 2mc² -ზე მეტი ენერგიის გამა კვანტი და გადავიდეს უარყოფითი ენერგიების დონეზე, ანუ მიიღოს -mc² -ზე ნაკლები ენერგია.
იბადება კითხვა: შეუძლია თუ არა არსებობა უარყოფითი ენერგიის თავისუფალ ელექტრონს? ასეთი ნაწილაკები რომ მართლაც არსებობდნენ, მაშინ მათ ექნებოდათ მთელი რიგი უცნაური თვისებები. ასე მაგალითად, სინათლის უწყვეტად გამოსხივების შედეგად მათი ენერგია შეიძლებოდა შემცირებულიყო ისე, რომ გამხდარიყო მინუს უსასრულობის ტოლი. ასეთი ენერგიები ექნებოდა ჩვენი სამყაროს ყველა ელექტრონს საკმარისად მცირე დროის განმავლობაში. რაც სინამდვილეში ასე არ არის. ამგვარად, ვაწყდებით წინააღმდეგობას: ერთი მხრივ, ელექტრონს შეუძლია დადებითი ენერგიის მდგომარეობიდან გადახტეს უარყოფინი ენერგიის მდგომარეობაში, მეორეს მხრივ, ელექტრონი უარყოითი ნიშნის მქონე ენერგიით არ უნდა არსებობდეს. ეს წინააღმდეგობა საკმაოდ ორიგინალრად ახსნილი იყო დირაკის მიერ.
დირაკმა -e მუხტის მქონე ნაწილაკისთვის, ანუ ელექტრონისთვის დაწერილი განტოლების მარტივი მათემატიკური გარდაქმნებით მიიღო იგივე განტოლება ნაწილაკისთვის, რომლის მასა ისევ ელექტრონის მასის ტოლია და გააჩნია საწინააღმდეგო მუხტი, +e მუხტი. ამგვარად, მიიღო რომ უნდა არსებობდეს ნაწილაკი, რომლის მასა ელექტრონის მასის ტოლია და რომლის მუხტიც სიდიდით ელექტრონის მუხტის ტოლია, მაგრამ საწინააღმდეგო ნიშნით. ასეთი ნაწილაკი მართლაც აღმოჩენილი იქნა ანდერსონის მიერ და მას პოზიტრონი ეწოდა.
პოზიტრონის აღმოჩენით წინააღმდეგობა არ ისპობა, რადგანაც თუ მას გააჩნია უარყოფითი ენერგია, მაშინ მას ექნება ზემოთ აღნიშნული უცნაური თვისებები, ამიტომაც დირაკის მიერ პოზიტრონის თეორია აგებული იქნა სულ სხვანაირად და მეტად ორიგინალურად.
დირაკის თანახმად, უარყოფითი კინეტიკური ენერგიის ყველა დონე დაკავებულია ელექტრონებით. ვაკუუმი დირაკის განმარტებით ეწოდება სწორედ ისეთ მდგომარეობას, როცა დადებითი ენერგიის ყველა დონე თავისუფალია, ენერგიის ყველა უარყოფითი დონე კი დაკავებულია ელექტრონებით. ამასთან პაულის პრინციპის ძალით, თითოეულ უარყოფით დონეზე იმყოფება ორი ელექტრონი საწინაარმდეგო სპინებით. უარყოფითი ენერგიის დონეებზე მსხდომი ელქტრონები ერთგვაროვნად ავსებენ მთელ სივრცეს, ამიტომ ისინი არავითარ ველს არ ქმნიან.
დავუშვათ, რომ უარყოფითი ენერგიის დონეებიდან ამოვარდა ერთი ელექტრონი, მაშინ ელექტრონის ძველ ადგილას დარჩება "ხვრელი". ეს ხვრელი ისე მოიქცევა, როგორც დადებითი ენერგიის მქონე დადებითი ელექტრონი. მართლაც, იმისათვის, რომ ეს ხვრელი კვლავ მოისპოს, საჭიროა იგი "ამოივსოს" უარყოფითი კინეტიკური ენერგიის მქონე ელექტრონით. მეორეს მხრივ, თუ დირაკის ვაკუუმს მოვათავსებთ ელექტრულ ველში, მაშინ ელექტრონები ამოძრავდებიან ერთ მხარეს, მათი მოძრაობა კი ნიშნავს "ხვრელიების" მოძრაობას საწინააღმდეგო მხარეს, ეს კი ნიშნავს რომ მათ გააჩნიათ ელექტრონის საწინააღმდეგო მუხტი, ანუ დადებითი მუხტი. რადგანაც "ხვრელი" უარყოფით დონეებში ისევე იქცევა, როგორც დადებითი ენერგიის და მუხტის მქონე ელექტრონი, ამიტომ დირაკმა იგი გააიგივა პოზიტრონთან. ე.ი პოზიტრონი წარმოადგენს უარყოფითი ენერგიების დონეებში გაჩენილ ხვრელს. პოზიტრონის ამ თეორიას უწოდებენ დირაკის ხვრელის თეორიას.
ამგვარად, მივიღეთ რომ ვაკუუმი არ ყოფილა მხოლოდ და მხოლოდ სიცარიელე. ვაკუუმში არის უარყოფითი ენერგიის დონეები, სადაც ჩაყრილია უამრავი ნაწილაკი, ამიტომაც მას უწოდებენ დირაკის ზღვას.
ვაკუუმთან კიდევ უფრო საინტერესო მოვლენები არის დაკავშირებული, კერძოდ ნაწილაკების გაჩენა. მაგალითად, თუ ვაკუუმს დავასხივებთ 2mc² -ის ტოლი ენერგიის გამა გამოსხივებით, თუ m-არის ელექტრონის მასა, მაშინ ვაკუუმში გაჩნდება ელექტრონულ-პოზიტრონული წყვილი, ე.ი უარყოფითი ენერგიების დონიდან ამოვარდება ელექტრონი, გაჩენილი ხვრელი კი იქნება პოზიტრონი. თუ m-იქნება პროტონის მასა, მაშინ დაიბადება პროტონი და ანტიპროტონი. პოზიტრონი წარმოადგენს ელექტრონის ანტინაწილაკს, ხოლო ანტიპროტონი - პროტონის ანტინაწილაკი, სამყაროში ყველა ნაწილაკს გააჩნია თავისი ანტინაწილაკი. რადგანაც ვაკუუმიდან ნაწილაკის და ანტინაწილაკის დასაბადებლად საჭირო იყო 2mc² -ის ტოლი ენერგიის მქონე გამა კვანტი, ამიტომ ნაწილაკის და ანტინაწილაკის ურთიერთქმედების შედეგად ხდება 2mc² -ის ტოლი ენერგიის მქონე გამოსხივების გაჩენა, ანუ ანიჰილაცია, შეგვიძლია დავარქვათ აფეთქება. ამ დროს ნაწილაკი, მაგალითად ელექტრონი, ჩახტება უარყოფითი ენერგიების დონეებში გაჩენილ ხვრელში, ამოავსებს მას და გამოსხივდება იმ ენერგიის მქონე კვანტი, რომლითაც მოხდა მისი დაბადება.
ასევე მნიშვნელოვანია ის ფაქტი, რომ სულ ცოტა ხნის წინ ALPHA Colaboration-ის ჯგუფმა შეძლო ანტიწყალბადის ცალკეული ატომების ხაფანგში მოქცევა, კონკრეტულად ანტიპროტონის და პოზიტრონის დაჭერა შედარებით დიდი დროის განმავლობაში 172 მწ (მილიწამი).

სულ ეს იყო რაც მინდოდა მეთქვა ვაკუუმის შესახებ. შევეცადე რაც შეიძლებოდა გამემარტივებინა და დიდი ინფორმაცია გადმომეცა...