Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

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.