Физики всерьез занимаются экспериментами по получению материи из вакуума

Экспериментальное создание материи из «пустоты» на квантовом симуляторе – это не только научный, но и философский прорыв. Иллюстрация создана с помощью GigaChat

Не сильно ошибаясь, современных физиков можно уподобить если не колдунам, то волшебникам. Иногда добрым, иногда злым…

Международная группа ученых опубликовала в журнале Nature работу, в которой описала эффекты, возникающие при скручивании тончайших слоев квантовых материалов. При повороте примерно на три градуса друг относительно друга возникает новое качество материи. Электронные зоны слоев становятся очень «плоскими». Это усиливает их взаимодействие и позволяет реализовать необычные квантовые эффекты. В некоторых случаях электроны могут группироваться в особые кристаллические узоры – например шестиугольные или так называемые кагоме-решетки. И все это в перспективе, как надеются физики, позволит получить квантовые жидкости, до сих пор неуловимые. Прагматический интерес тоже понятен – сверхпроводимость при высоких температурах.

В общем, возможные состояния материи, похоже, еще далеки от исчерпаемости. Но значительно более интригующий вопрос – откуда берется сама материя? Пусть и квантовая.

Живородящий вакуум

Теоретической физике уже давно пророчат стать всего лишь частью эстетики. Еще в 1993 году физик Дэвид Линдлей опубликовал статью The End of Phisics. Физики, работающие над теорией суперструн (космологическая теория, возникшая более 30 лет назад как попытка построения объединенной квантовой теории фундаментальных взаимодействий, включающей гравитацию. – В.А.), заявлял Линдлей, больше не занимаются физикой, потому что их теоретические выкладки никогда не могут быть подкреплены объективными экспериментами, а только субъективными критериями – элегантность и красота. Физике частиц, пришел к выводу Линдлей, грозит стать ветвью эстетики.

Согласно квантовой хромодинамике, если попытаться разорвать связь между кварками, энергия этой связи становится настолько огромной, что из вакуума появляются новые частицы и античастицы – буквально из «ничего». В эксперименте ученые впервые смогли воспроизвести этот процесс рождения пар частиц из вакуума с помощью программируемого квантового симулятора. Для этого понадобилось не менее 59 атомов, расположенных по схеме кагомэ, чтобы смоделировать ключевые взаимодействия сильных ядерных сил. «Мы впервые воспроизвели процесс рождения пар частиц из вакуума при помощи программируемого квантового симулятора», – пишут авторы публикации в Nature. Редакция отмечает: происхождение материи перестает быть чистой теорией – и становится управляемым процессом, доступным для наблюдения.

Опять же к этому status quo тоже подбирались постепенно. В 2021 году в международном научном журнале Optica появилась статья группы южнокорейских ученых из Центра релятивистской лазерной науки, Научно-исследовательского института передовой фотоники и кафедры физики и фотонных наук Института науки и технологий Кванджу. Физики смогли сконцентрировать излучение от мощного петаваттного лазера в пятно интенсивностью свыше 1023 ватт на квадратный сантиметр. Зачем это нужно и чем это нам «грозит»?

Дело в том, что современная физика действительно научилась создавать материю – или по крайней мере наблюдать рождение частиц – из вакуума с помощью мощных лазеров. Это звучит как научная фантастика, но на самом деле основано на квантовой теории: вакуум – не абсолютная пустота, а бурлящее море виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают.

И вот сегодня впервые в истории ученые смогли экспериментально подтвердить, что материя может рождаться буквально из вакуума! Международная команда физиков под руководством Михаила Лукина из Гарварда провела уникальный эксперимент на квантовом симуляторе Aquila, который построен на основе 256 охлажденных нейтральных атомов, связанных между собой квантовыми связями и выстроенных в специальный узор. Этот узор – схема кагомэ, напоминающая японскую мозаику, – позволил максимально точно смоделировать поведение кварков, антикварков и глюонов, то есть элементарных частиц, отвечающих за сильные ядерные взаимодействия, склеивающих протоны и нейтроны в атомном ядре.

Российский физик-теоретик академик Валерий Рубаков в свое время, в1998 году, отмечал: «…физический вакуум – это очень нетривиальный объект. И многие свойства частиц прямо связаны со структурой вакуума. Аналогия здесь такая. Представьте себе, что у вас есть твердое тело; ...от того, в каком оно состоянии находится – в кристаллическом или аморфном, – зависит, как устроено возбуждение, какие волны, скажем, звуковые, как проходят в этом теле… Так вот, частицы – аналог этих волн, а вакуум – это аналог основного состояния, и от того, как оно устроено, конечно, зависит очень многое.

Одна из наиболее увлекательных задач для теоретиков – узнать, как устроен вакуум, как устроена пустота. Это, может быть, звучит немного парадоксально. Но это на самом деле очень серьезный вопрос. Если вам удалось выяснить, как устроен вакуум, после этого вы можете сказать, как устроена частица, которая может в нем распространяться».

К этому состоянию физики и теоретики, и экспериментаторы сегодня подобрались вплотную. Когда ученые направляют сверхмощные лазеры (интенсивность излучения – триллионы ватт на квадратный сантиметр) на тонкую металлическую фольгу или фокусируют несколько лучей в одной точке, их электромагнитные поля становятся настолько сильными, что способны «вытолкнуть» эти виртуальные частицы в реальность. В результате возникают пары электрон–позитрон – частицы материи и антиматерии.

Недавно физики даже смоделировали, как из вакуума появляется новый луч света – это так называемое четырехволновое смешение: три лазерных луча взаимодействуют с квантовым вакуумом, и рождается четвертый, буквально «свет из ничего».

Материя может рождаться буквально из вакуума. А там – и до разумной жизни не так далеко по космическим масштабам. Иллюстрация Kandinsky 4.1

Другими словами, ученые показали на расчетной модели, что, сконцентрировав в точке три лазерных луча петаваттной мощности, можно ожидать, что высокоэнергетические виртуальные части кипящего вакуума будут материализовываться. Или, говоря более строго, лазерное перекрестие должно поляризовать виртуальные частицы, после чего лучи смешиваются и рождают новые волны света, хотя никакой материи в области взаимодействия нет.

Невольно вспоминается библейское: «…да будет свет. И стал свет». Но в данном случае исследователи использовали программный пакет OSIRIS и провели детальные трехмерные расчеты. Выяснилось, что при правильной конфигурации лучи могут менять направление, складываться и даже создавать новые фотоны. Одновременно проявляется эффект вакуумного двулучепреломления, когда поляризация света меняется так же, как при прохождении через кристалл, только роль кристалла играет сам вакуум, искривленный силовыми полями. Подобное явление предсказывали десятилетиями, но увидеть хотя бы в симуляции удалось впервые.

Все это не только подтверждает «странные» предсказания квантовой физики, но и открывает новые горизонты для изучения Вселенной и создания новых технологий.

В общем, вакуум по квантовой теории – не пустота, а «кипящее» море виртуальных частиц, которые могут стать реальными при экстремально мощном воздействии, например с помощью сверхмощных лазеров. В России строят установку XCELS, чтобы с помощью экзаваттных лазеров (1018 ватт, один квинтиллион) наблюдать рождение материи и антиматерии непосредственно из вакуума, моделируя процессы, которые происходили в ранней Вселенной.

Уже есть, как мы убедились выше, успешные симуляции и первые эксперименты: ученые из Оксфорда и Южной Кореи показали, что можно получить свет и даже антивещество из «ничего», используя мощные лазеры. В лабораториях уже наблюдают появление позитронов (античастиц электронов) из вакуума.

И подобная оптическая фабрика по производству материи, как оказывается, обладает просто циклопической производительностью.

Прецизионная космология

В июньском, 2025 года, выпуске журнала Nature Astronomy была опубликована статья большой группы исследователей с длинным, как и полагается в научных журналах, названием: «Богатая газом космическая паутина обнаружена путем разделения недостающих барионов» (A gas-rich cosmic web revealed by the partitioning of the missing baryons). Исследование выполнено учеными из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) совместно с Калифорнийским технологическим институтом (Caltech).

Астрономам удалось обнаружить, куда в действительности делась большая часть привычной материи. Оказалось, что примерно три четверти барионов – частиц, из которых состоят атомные ядра, – не исчезли, а рассеяны в нагретом и сильно разреженном газе, заполняющем пространство между галактиками.

Дело в том, что из теоретических моделей ранней Вселенной известно, сколько барионов должно было остаться после Большого взрыва (Big Bang). Однако в наблюдаемом космосе обнаруживалась лишь половина ожидаемого объема. Оставшаяся часть предположительно находилась в виде теплого и разреженного газа, рассредоточенного между галактиками. Но это вещество было слишком «тонким», его невозможно было уверенно идентифицировать существующими телескопами. Долгое время местоположение основной доли вещества оставалось неизвестным.

В этом же исследовании астрономы использовали наблюдения за быстрыми радиовсплесками (Fast Radio Bursts, FRBs) – короткими, яркими сигналами из отдаленных галактик. Идея проста: FRB могут использоваться для оценки количества материи, через которую они проходят. Было проанализировано 60 радиовсплесков, зарегистрированных на разных расстояниях от Земли – от 11,74 млн до 9,1 млрд световых лет. Сигналы FRB замедляются и искажаются при прохождении через ионизированный газ, поэтому по степени этого замедления можно оценить, сколько вещества находится вдоль луча. Это позволяет буквально «взвешивать» пространство между источником всплеска и наблюдателем.

Экзотическая гипотеза: наша Вселенная была создана в лаборатории передовой технологической цивилизации – отнюдь не абсурдна. Иллюстрация Kandinsky 4.1

Вся эта астрономическая виртуозность и заключалась в том, чтобы правильно оценить «вибрации» сигналов FRB и дать им адекватную, проверяемую интерпретацию. В результате анализа сделан вывод: около 76% барионной материи находится в межгалактической среде – гигантских разреженных структурах, соединяющих галактики и формирующих так называемую космическую паутину. Примерно 15% содержится в окологалактических гало, и лишь малая часть приходится на звезды и холодный газ внутри самих галактик.

Это распределение полностью совпадает с предсказаниями сложных космологических симуляций, но до настоящего момента его не удавалось подтвердить напрямую.

Исследователи также пришли к выводу, что значительную роль в перераспределении вещества играют обратные процессы: гравитация стягивает барионы внутрь галактик, но взрывы сверхновых и активность сверхмассивных черных дыр могут выбрасывать их обратно в межгалактическую среду. Механизм напоминает терморегуляцию: если концентрация становится слишком высокой, система сама снижает температуру и плотность.

Этот прорыв не только подтвердил фундаментальные теории физики, но и открыл новые возможности для изучения процессов, которые раньше считались недоступными. Теперь происхождение материи – это уже не просто теория, а управляемый процесс, который можно наблюдать в лаборатории.

«Космический блок»

Итак, материя из вакуума – это уже почти реальность, и ближайшие годы обещают еще более потрясающие открытия.

Но экспериментальное создание материи из «пустоты» на квантовом симуляторе – это не только научный, но и философский прорыв. С философской точки зрения вакуум уже давно рассматривается как особая форма материи, а не просто «ничто»: это основное состояние квантовых полей, из которого может возникать все сущее. Такой подход сближает современные научные представления с древними философскими идеями о Пустоте как первооснове мира.

Для космологии это особенно важно. Эти данные подтверждают, что процессы рождения материи из вакуума – не абстракция, а реально наблюдаемое явление. И это помогает понять ранние этапы эволюции Вселенной, когда энергия вакуума превращалась в материю. Это укрепляет принцип единства материи: все во Вселенной связано и может переходить из одной формы в другую.

В целом такие эксперименты расширяют философские горизонты: они показывают, что граница между «ничем» и «чем-то» весьма условна, а наше понимание бытия и происхождения мира становится все более глубоким и конкретным. А новые установки позволят изучать эти процессы еще глубже. Хотя, казалось бы, куда глубже…

Здесь мы вольно или невольно принуждены будем задать «детский» вопрос: а из чего соткана сама ткань пространства, в котором разыгрываются такие квантовые сценарии? В другом варианте это звучит так: что было до Большого взрыва?

Академик Валерий Рубаков видел такие варианты ответа: «Не исключено, что толчком для развития Вселенной по инфляционной, раздувающейся модели послужили квантово-гравитационные эффекты. Сложный вопрос и еще неразработанный, но есть попытки понять, что было до инфляции, что происходило вместо сингулярности, вместо Большого взрыва, как родилась Вселенная. Похоже, что это был квантовый процесс, хотя могут быть разные точки зрения. Например, это может быть процесс квантового рождения Вселенной. Самый простой вариант. Представьте себе, что есть другая Вселенная, с нашей никак не связанная. Мы могли от нее отпочковаться квантовым образом. Отпочковались, потом инфляция нашу Вселенную раздула, и дальше она превратилась в то, что мы сейчас и имеем. Есть множество других вариантов.

Конечно, это сложный вопрос. Есть варианты такие, что Вселенная возникает квантовым образом, но не отпочковываясь, а… даже трудно подобрать определение. Есть такой термин – «рождение Вселенной из ничего».

Напомним, что приведенные высказывания относятся к ситуации, которая сложилась в физике к 1998 году. Сегодня, пытаясь ответить на эти вопросы, мы попадаем в ситуацию, которую описали в начале этой статьи: физике грозит стать ветвью эстетики. А как еще к сценарию, который предлагает бывший заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета (2011–2020), директор – основатель Гарвардской инициативы по черным дырам и директор Института теории и вычислений Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики Ави Лёб. В октябре 2021 года в блоге журнала Scientific American он разместил текст с таким названием: Was Our Universe Created in a Laboratory? («Была ли наша Вселенная создана в лаборатории?»).

Американский ученый прежде всего отмечает: «Сегодня в научной литературе существует много гипотез о нашем космическом происхождении, в том числе идеи о том, что наша Вселенная возникла в результате флуктуации вакуума, или что она циклична с повторяющимися периодами сжатия и расширения, или что она была выбрана по антропному принципу. Из теории струн мультиверса (пены вселенных. – В.А.) – где, как говорит космолог Массачусетского технологического института Алан Гут, «все, что может произойти, произойдет… бесконечное число раз», или что она возникла в результате коллапса материи внутри черной дыры».

Сам он рассматривает еще более экзотический вариант: «Наша Вселенная была создана в лаборатории передовой технологической цивилизации. Поскольку наша Вселенная имеет плоскую геометрию с нулевой суммарной энергией, продвинутая цивилизация могла бы разработать технологию, создающую детскую вселенную из ничего с помощью квантового туннелирования».

Помимо всего прочего, это означает, что «наша» (приходится закавычивать это слово в данном контексте) Вселенная участвует в очень жестком эволюционном соревновании с другими детскими вселенными.

«Те «более умные дети в нашем космическом блоке», которые способны разработать технологию, необходимую для создания дочерних вселенных, являются двигателями космического дарвиновского процесса отбора, в то время как мы пока не можем обеспечить возрождение космических условий, которые привели к нашему существованию. Можно сказать, что наша цивилизация по-прежнему космологически бесплодна, поскольку мы не можем воспроизвести мир, создавший нас».

Обратите внимание – «в нашем космическом блоке». Значит, передовых технологических цивилизаций – творцов вселенных может быть несколько. Много. Бесконечно много…

К чему могут привести такие эксперименты? Возможно, правильный ответ на этот метафизический вопрос дал отечественный философ Эвальд Васильевич Ильенков. Он был радикален: «Реально это можно представить себе так. B какой-то, очень высокой, точке своего развития мыслящие существа, исполняя свой космологический долг и жертвуя собой, производят сознательно космическую катастрофу – вызывая процесс, обратный «тепловому умиранию» космической материи, то есть вызывая процесс, ведущий к возрождению умирающих миров в виде космического облака раскаленного газа и пара».