Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Энергия нулевой точки — это энергия пустого пространства. Представьте уголок Вселенной, который посетили межгалактические судебные приставы. Они выносят оттуда все — все звезды, планеты, скопления газа и комки темной материи. Они не оставляют ничего, кроме пустоты. Нет атомов и нет света. Заброшенное и пустое место. И все же в этом вакууме есть то, до чего судебные приставы не могут добраться. Там есть энергия — энергия нулевой точки; энергия, хранящаяся в самом вакууме. Несмотря на все свои усилия, судебные приставы не могут заглушить вакуум. Квантовая механика требует, чтобы это был бурлящий бульон из виртуальных частиц, постоянно появляющихся и исчезающих, касающихся мира своей энергией, пусть только на мгновение.

Чтобы понять это, сходите на кухню и возьмите большую миску. Бросьте в нее маленький шарик, например стеклянный или мяч для настольного тенниса. Что вы видите? Без сомнения, мяч немного покатается по миске, а потом уляжется на дне. Если его не трогать, вы ожидаете, что шарик останется точно в этом месте, если не считать возможных покачиваний от тепловых движений воздуха. А если вы охладите кухню до абсолютного нуля и удалите весь окружающий воздух? Шарик вообще не должен двигаться, верно? Он не должен шевелиться.

А он шевелится.

Причина — в квантовой механике и знаменитом принципе неопределенности Гейзенберга. Вспомните, что между положением и импульсом частицы есть обратная зависимость. Чем точнее мы знаем ее положение, тем хуже мы знаем ее импульс, и наоборот. Уменьшим масштабы в нашем эксперименте и бросим очень легкую частицу в крошечную миску. Если мы можем сказать, что частица покоится неподвижно на дне, это значит, что мы точно знаем и ее положение, и ее импульс. Это противоречит принципу неопределенности, поэтому что-то должно меняться. Частица должна совершать какое-то небольшое квантовое колебание. Она никогда не может полностью покоиться.

С этой идеей мы возвращаемся в наш пустой уголок Вселенной. До появления судебных приставов он был наполнен частицами, которые вступили в сговор и создали планеты, звезды и маленьких зеленых человечков. Там имелись электроны и фотоны, кварки и глюоны, калибровочные бозоны и бозоны Хиггса, а также все прочие частицы, включая те, что пока нам неизвестны. Это была просто рябь в фундаментальных полях, которая исчезла, когда пришел судебный пристав и все отключил. Если представить эти поля в виде океана, а частицы — в виде ряби на его поверхности, то задача судебных приставов состоит в том, чтобы прийти и заставить океан замолчать — сделать его идеально ровным.

Но этот океан никогда не бывает по-настоящему ровным. Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга всегда существуют квантовые колебания. То же и с полями в вакууме — они никогда не бывают полностью потухшими. Всегда есть крошечные небольшие возмущения. Важно понимать, что эти возмущения — не реальные частицы, потому что в этом случае судебный пристав-исполнитель схватил бы их и унес. Значит, они должны быть виртуальными. Они очень похожи на кратковременные промежуточные электроны и позитроны, которые мы видели в предыдущей главе, когда бозон Хиггса путешествовал из Лондона в Париж. Напомним, что хиггсон уехал из Лондона как хиггсон и прибыл в Париж как хиггсон, но о том, что он делал в дороге между городами, можно только догадываться. В одном варианте он оставался бозоном Хиггса на протяжении всей поездки; в другом же он некоторое время был одет как электрон-позитронная пара. Фейнман сообщил нам, что любая частица при движении исследует все пути и возможности. Каждый из этих путей оставляет свой след на бозоне Хиггса, придавая ему некоторую массу.

То же и с вакуумом. Если мы вернемся к нашему пустому уголку Вселенной, то увидим, что он пуст сначала утром, а потом опять через какое-то время. Временной интервал не имеет особого значения. Важно то, что вы начинаете с пустоты и заканчиваете пустотой, а вот о том, что происходит посередине, можно только догадываться. Вакуум мог легко поменять костюм, как это делал бозон Хиггса, и позволить виртуальным частицам появляться и исчезать, как взрывная карамель во рту. Эти виртуальные частицы оставляют свой след в вакууме — точно так же, как оставляли его на хиггсоне. Они придают ему массу. И энергию — много энергии.

Чтобы выяснить, сколько энергии скрыто в вакууме, нам нужно разбить его на крошечные фрагменты, словно создавая величественный космический пазл в трехмерном пространстве. Как мы увидим, размер этих кусочков радикально повлияет на результат. Если нас интересует только физика, которую можно увидеть невооруженным глазом, мы можем представить такие фрагменты в виде ящичков размером чуть меньше миллиметра. Но мы должны быть более амбициозными. Когда Паули размышлял за обедом об этом вопросе, он сделал кусочки пазла размером с классический радиус электрона — несколько фемтометров в поперечнике. Это гораздо меньше, чем вы могли бы надеяться увидеть невооруженным глазом; примерно в 10 000 раз меньше размера атома. Во времена Паули это был край физики, граница того, что ученые пытались понять.

Как всегда в релятивистском мире, вместе с кратчайшим расстоянием появляется кратчайшее время. Если наши кусочки пазла имеют размер в несколько фемтометров, как у Паули, то самое короткое время, которое можно реально рассматривать, составляет около одной сотой от триллионной доли наносекунды. Это невообразимо малое время требуется свету, чтобы пересечь поперек один из наших ящичков. Мы используем этот временной интервал, чтобы установить ограничение на время появления и исчезновения виртуальных частиц из вакуума. Мы не будем рассматривать частицы, которые появляются на меньшее время, поскольку это соответствовало бы делению пространства на меньшие фрагменты пазла. Такие кратковременные сотрясения питают вакуум за счет окружающей квантовой энергии — точно так же, как это было в случае бозона Хиггса. Те частицы, что появляются на самое короткое время, дают вакууму наибольшую энергию, и их лихорадочный выход на сцену с огромной частотой выбрасывает столько энергии, сколько позволяет принцип неопределенности. Получается около пяти триллионных джоуля[140] на каждый наш маленький ящичек. Может показаться, что это не так уж и много, но ящички крохотные, поэтому плотность энергии опасно высока. В каждой кофейной чашке пустого пространства обнаруживается почти сто тысяч триллионов триллионов джоулей; такого количества энергии достаточно, чтобы испарить все океаны Земли.

Но мы не должны здесь останавливаться.

С тех пор как Паули провел свои экстравагантные расчеты, прошел почти век, и мы уже научились смотреть намного глубже. Столкновения частиц в ЦЕРН отодвинули границу в 10 000 раз дальше, чем было у Паули. Граница экспериментальной физики теперь лежит на непостижимо малом расстоянии около 10–19 метров. Если мы сделаем