Перестройка вакуума в сильных полях

Итак, в вакууме непрерывно рождаются и исчезают всевозможные виртуальные частицы. Не сделаются ли они реальными, если в вакууме появится сильное поле?

Допустим, что в некоторой области пространства создано сильное поле – электрическое, гравитационное, ядерное – в виде потенциальной ямы, вроде впадины на поверхности Земли. Когда частица падает в такую яму, у неё, как у камня, летящего в пропасть, увеличивается кинетическая энергия. Для того чтобы виртуальная частица стала реальной, она должна иметь энергию, не меньшую, чем «энергия покоя», равная mc², где m – масса частицы, а с – скорость света. Энергия, которую приобретает частица, падая в яму, может превратить её из виртуальной, какой она была на краю ямы, в реальную, когда она окажется на дне, если глубина ямы превышает mc²; но если глубина энергетической ямы больше энергии покоя, то останется излишек энергии. Он пойдёт на рождение новых частиц. Они будут накапливаться в вакууме, пока не создадут такое дополнительное поле, что глубина ямы станет равной mc², и дальнейшее рождение частиц сделается невозможным.

Итак, прежний вакуум становится неустойчивым по отношению к образованию соответствующих частиц – вакуум перестраивается, в нём появляется поле этих частиц.

Яму с глубиной mc² осуществить тем легче, чем меньше масса рождающихся частиц. Малую массу имеют электроны, но они подчиняются «принципу Паули» (в каждом состоянии может находиться только один электрон) и поэтому не могут накапливаться в большом количестве – произойдёт незначительная перестройка вакуума.

Наименьшую массу среди частиц, которые могут накапливаться в любом количестве, имеют пи-мезоны (пионы), поэтому наиболее интересно исследовать те условия, в которых возникает неустойчивость вакуума по отношению к образованию пионного поля – «пионная неустойчивость». Расчёт показывает, что такая неустойчивость может возникнуть, например, в достаточно сильном электрическом поле. Подобная яма возникает и в той области пространства, где находится достаточно плотное нуклонное вещество. При увеличении плотности нуклонов яма углубляется. Когда глубина ямы сделается больше, чем энергия покоя пиона, в области, где находятся нуклоны, наступит неустойчивость вакуума относительно рождения пионов. В этой области пространства возникнет пионное поле. Это явление называется «пионной конденсацией». Когда плотность нуклонов превысит некое критическое значение, глубина ямы станет больше энергии покоя пиона и при конденсации высвободится энергия.

Значение критической плотности пока известно очень грубо, можно только надеяться, что она не слишком далеко отстоит от плотности атомных ядер. Теоретическое и экспериментальное исследование пионной конденсации началось в 1971 году с работы автора этой статьи и продолжается до сих пор во многих научных центрах: Институте теоретической физики им. Ландау, Институте атомной энергии им. Курчатова, в ЦЕРНе, в ряде институтов Японии, США, ФРГ, ГДР.

Аномальные ядра

Самое важное следствие пионной конденсации – возможная неустойчивость нуклонного вещества. Пока конденсация не возникла, энергия ядерного вещества резко возрастает с увеличением плотности. (Увеличение энергии с увеличением плотности характеризуется «жёсткостью»). Но стоит возникнуть пионному полю, как начинает высвобождаться энергия. В результате жёсткость ядерного вещества уменьшается и, если выигрыш энергии от конденсации нарастает с увеличением плотности быстрее, чем проигрыш от сжатия, жёсткость становится отрицательной, наступает неустойчивость ядерного вещества. Такая неустойчивость означала бы, что ядерное вещество, состоящее из нейтронов и протонов, может находиться, кроме обычного, и в необычных состояниях, иными словами, наряду с обычными ядрами могут существовать и аномальные ядра с другими свойствами – другой плотностью, отношением заряда к массе, с другой энергией связи протонов и нейтронов.

Пока такие ядра не обнаружены. При расчётах их энергии получены очень грубые результаты, многие параметры ещё недостаточно хорошо известны. Сейчас нельзя сделать определённого заключения даже о возможности образования аномальных ядер; можно только сказать, что существование их достаточно правдоподобно, чтобы предпринимать серьёзные усилия для доказательства или опровержения подобного предположения. Эти явления пока существуют только на бумаге как результат теоретических расчётов или оценок. Если следствия теории подтвердятся на опыте, будет сделан существенный шаг в понимании природы, если нет – теория сохранит свою методическую ценность и послужит основой для будущей, более успешной теории.