Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

наши кусочки пазла настолько крохотными, то сможем считать, что виртуальные частицы в вакууме появляются и исчезают каждую миллиардную долю от миллиардной доли наносекунды. Вакуум продолжает поглощать всю эту квантовую энергию в огромных количествах. Пустая кофейная чашка теперь обладает достаточной энергией, чтобы взорвать целую планету в стиле «Звездных войн», разнеся ее на куски, которые с огромной скоростью разлетятся шрапнелью по всем уголкам Вселенной. Причем сделать это более 100 млрд раз, уничтожив все планеты в галактике.

Но мы не должны здесь останавливаться.

Столкновения в ЦЕРН — это лишь граница экспериментальной физики, которая определена рамками финансирования и технологий. Но сама физика на этом не останавливается. Она двигается дальше. Она подводит нас к краю, точке, где начинают исчезать все представления о пространстве и времени. Кусочки пазла оказываются величиной с планковскую длину, в миллион миллиардов раз с лишним меньше границы современных экспериментов. Последствия для вакуума ужасны. Частицы в пустом пространстве появляются и исчезают за планковское время, каждые 10–35 секунд. Окружающие квантовые энергии становятся поистине чудовищными, и вакуум поглощает их с ненасытным ликованием. В каждом литре пустого пространства мы должны обнаружить гугол гигаджоулей энергии. Ого! В каждой кофейной чашке вакуума достаточно энергии, чтобы ликвидировать все планеты в наблюдаемой Вселенной снова, снова, снова и снова, уничтожив всё более триллиона триллионов триллионов триллионов раз.

Испытываете ли вы страх, осознавая, что эти колоссальные энергии могут быть повсюду вокруг вас и даже внутри вас, в пустом пространстве между вашими атомами? Как вы живете с этим монстром внутри? Истина в том, что без гравитации не о чем беспокоиться. Неважно, сколько энергии таится в вакууме; мы все равно не можем превратить ее в оружие и использовать силы, способные уничтожать планеты. В реальности мы вообще не можем использовать энергию вакуума. Причина в том, что она везде одинакова. Чтобы произошло что-то интересное, вам нужна разница в энергиях — перепад, градиент, — а в случае истинной базовой энергии вакуума разницы просто нет. Энергия пустого пространства — это нулевая точка, базовая линия, от которой измеряется все остальное. Ее нельзя использовать для толчка или тяги. Она просто не может затронуть вас — без гравитации.

А вот с гравитацией она разгуляется.

При таком огромном количестве энергии в пустом пространстве Вселенная, подчиняющаяся законам Эйнштейна, была бы раздавлена собственным весом. Мир не только «не доходил бы до Луны», как сказал Паули, он даже не добрался бы до размера атома. Он оказался бы разорванным пространством-временем, свернутым и искривленным, простирающимся во всех направлениях чуть больше, чем на планковскую длину.

Эйнштейн объяснил нам, что на самом деле притягивает энергия, а не масса. Фотон от далекой звезды, двигающийся мимо Солнца, изгибает свою траекторию. Солнце притягивает не его массу, потому что у фотона ее нет. Оно притягивает его энергию. В мире Эйнштейна все формы энергии танцуют гравитационный вальс. Танцевать должны все: Солнце, планеты, вы, я, инопланетный барсук, левиафаны черных дыр и даже сам вакуум.

Энергия вакуума вездесуща, неизменна в пространстве и во времени. Вот почему ее иногда называют космологической постоянной[141]. Как и любая энергия, она искривляет пространство-время, в котором живет. Когда энергия положительна, вокруг каждого из нас формируется деситтеровский горизонт; как мы видели в главе «Число Грэма», он представляет собой границу того, что мы когда-либо можем надеяться увидеть. Чем больше энергии скрыто в вакууме, тем ближе этот горизонт и тем меньше наш мир. Если бы мы оценили энергию вакуума с помощью пазла из фрагментов того размера, что выбрал Паули, этот горизонт оказался бы примерно в 237 километрах. Мир не достал бы не только до Луны, но даже до Международной космической станции. По мере того как мы улучшаем нашу оценку (делаем кусочки пазла все меньше), горизонт приближается. Для кусочков пазла размером с планковскую длину горизонт находится прямо перед вами, примерно на расстоянии планковской длины. Это Вселенная, побежденная пустотой, раздавленная и смятая под тяжестью этого ничто.

Это не наша Вселенная.

Оглядитесь. Горизонт нашей Вселенной вовсе не рядом с вами. Как мы видели в главе «Число Грэма», он расположен невообразимо далеко, почти в триллионе триллионов километров. Наша Вселенная медленно ускоряется, что-то невидимое раздвигает далекие галактики. Мы называем это темной энергией, но это всего лишь термин. У физиков есть популярная гипотеза, что это давление вакуума — энергия нулевой точки, скрытая в пустом пространстве. Однако это давление чрезвычайно слабое. Чтобы соответствовать скорости, с которой далекие галактики удаляются от нас, энергия пустоты должна быть распределена довольно экономно — менее триллионной доли джоуля на каждый литр пространства. Совершенно не похоже на те оценки пазла, которые мы сделали с помощью квантовой теории. Кофейная чашка, наполненная настоящим вакуумом, не содержит достаточно энергии, чтобы уничтожить планету или вскипятить океаны. В реальности вам понадобится энергия не менее 10 000 чашек только для того, чтобы раздавить мимариду, а она, как вы помните, самое маленькое насекомое в мире.

Это смущает.

Квантовую теорию поля — микроскопическое описание частиц и полей — часто называют самой точной теорией в истории человечества, и не без оснований. Некоторые из ее предсказаний (например, так называемый аномальный магнитный момент электрона) были проверены и подтверждены с точностью до одной триллионной. Но, скажем, истинное значение плотности энергии вакуума составляет 10–120 от той величины, которую предсказывает эта замечательная теория. Если бы вы записали 10–120 как десятичную дробь, она выглядела бы примерно так:

0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001

Как мы знаем, такое расхождение между ожиданием и реальностью не может появиться в природе без очень веской причины. Так почему же оно появилось? Наша великолепная лучшая теория предсказывает вакуум, каждый литр которого наполнен гуголом гигаджоулей энергии, а природа говорит нам, что там едва ли наберется пикоджоуль. Это самый неточный прогноз во всей физике. Конечно, мы должны быть благодарными такой ситуации. Если бы наши прогнозы оказались верными, Вселенная была бы согнута и сломана гравитацией, превратившись в космического карлика, имеющего ничтожную протяженность в пространстве и времени и не способного поддерживать звезды и планеты, которые необходимы для существования разумной жизни. Однако наши прогнозы не оправдываются. Нам посчастливилось жить в огромной и старой Вселенной, где энергия вакуума составляет 10–120 от ожидаемой, где есть крошечное число, которое мы просто не понимаем.

Это самое смущающее число в фундаментальной физике, впечатляющее несоответствие между современными расчетами и реальностью, которую мы видим вокруг себя. Общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля —