Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Но у этой теории есть ряд противоречий. Теоретически Вселенная, построенная Эйнштейном, была нестабильной. Она находилась в состоянии равновесия, но это равновесие было неустойчивым. Разницу между устойчивым и неустойчивым равновесием проще всего понять на примере маятника. Когда маятник висит вертикально, а его груз находится в самой низкой точке, маятник пребывает в состоянии устойчивого равновесия. Это означает, что если вы незначительно отклоните его от точки равновесия, он вернётся к своему первоначальному положению.

Теперь перевернём маятник, так чтобы груз оказался тонко сбалансирован в верхнем положении. Если что-нибудь толкнёт маятник, например лёгкий ветерок или взмах крыла бабочки, он тут же выйдет из равновесия и начнёт падать. Более того, направление, в котором он начнёт падать, непредсказуемо. Статическая Вселенная Эйнштейна ведёт себя как такой неустойчивый перевёрнутый маятник. Малейшее возмущение вызовет либо её взрывообразное расширение, либо такой же неудержимый коллапс. Я не знаю, упустил Эйнштейн этот элементарный момент в своих рассуждениях или просто решил игнорировать его.

Но самое печальное: теория пыталась объяснить то, чего попросту не существовало. По иронии судьбы, никакой нужды в дополнительном члене в уравнениях не было. Проводя наблюдения на 100-дюймовом телескопе[32] в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, Хаббл обнаружил, что Вселенная не стоит на месте. Галактики разлетаются друг от друга, и Вселенная расширяется как надуваемый воздушный шарик. Нет никакой необходимости компенсировать силы тяготения; от космологического члена, который не добавляет красоты уравнениям, можно попросту отказаться, приравняв его к нулю.

Но однажды открытый ящик Пандоры не так-то просто закрыть.

Космологическая постоянная эквивалентна другой сущности, которую проще всего охарактеризовать как энергию вакуума.[33] Как вы помните, я впервые столкнулся с этим термином в школе Белфер. Словосочетание «энергия вакуума» звучит как оксюморон. Вакуум представляет собой пустое пространство. Оно пустое по определению, – так как же оно может иметь какую-либо энергию? Ответ кроется в тех странных вещах, которые принесла в мир квантовая механика: странная неопределённость, странная квантованность и странная непрекращающаяся дрожь. Даже пустое пространство обладает «квантовой дрожью». Физики-теоретики представляют вакуум наполненным частицами, которые возникают и исчезают настолько быстро, что мы не в состоянии обнаружить их при обычных обстоятельствах. Эти вакуумные колебания имеют очень высокую частоту, которую не в состоянии измерить наши приборы, подобно тому как наши уши не в состоянии услышать звук слишком высокой частоты. Но вакуумные колебания оказывают влияние на атомы, которые гораздо более чувствительны к высоким частотам, подобно тому как уши собак более чувствительны к высоким звукам. Значения уровней энергии атома водорода могут быть измерены с прецизионной точностью, и результаты этих измерений оказываются чувствительными к незримому присутствию моря флуктуирующих в вакууме электронов и позитронов.

Эти странные неустранимые колебания вакуума вытекают из квантовой теории поля и могут быть визуализированы при помощи интуитивно понятных фейнмановских диаграмм. Представьте себе полностью пустое пространство-время, в котором первоначально нет ни одной частицы. Квантовые флуктуации могут на короткое время рождать пары частиц, как показано на следующем рисунке.

На первой диаграмме показаны электрон и позитрон, спонтанно возникающие из ничего, а затем, встретившись, взаимоуничтожающие друг друга. Можно интерпретировать эту диаграмму по-другому: движение электрона происходит по замкнутой траектории в пространстве-времени; двигаясь назад во времени, электрон воспринимается нами как позитрон. На второй диаграмме изображены два спонтанно рождённые, а затем уничтоженные фотона. Последняя диаграмма повторяет первую, за исключением того, что, прежде чем исчезнуть, электрон и позитрон обмениваются фотоном. Есть бесконечное множество более сложных «вакуумных диаграмм», но эти три являются наиболее характерными.

Как долго живут подобные электроны и позитроны? Около одной миллиард-триллионной доли секунды. Теперь представьте себе, что подобные процессы идут во всём пространстве, наполняя Вселенную быстро рождающимися и исчезающими элементарными частицами. Эти короткоживущие квантовые частицы, заполняющие вакуум, называются виртуальными, но последствия их существования могут быть вполне реальными. В частности, это приводит к тому, что вакуум имеет энергию. Вакуум не является состоянием с нулевой энергией. Вместо этого он оказывается состоянием с минимальной энергией.

Вернёмся к космологической постоянной.

Умный читатель может спросить: «Кого заботит, обладает вакуум энергией или нет? Если эта энергия всегда присутствует, почему бы нам просто не скорректировать наше определение энергии путём вычитания из неё энергии вакуума?» Потому что энергия создаёт тяготение. Чтобы понять смысл этой фразы, необходимо помнить два простых физических закона. Во-первых (я обещал, что в книге не будет формул, но прошу прощения, без по крайней мере одной я обойтись не могу), E = mc2. Даже школьники знают, что эта знаменитая формула выражает эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия являются в действительности одним и тем же, просто они выражаются в разных единицах; для преобразования массы в энергию достаточно умножить её на квадрат скорости света.

Во-вторых, закон всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что масса является источником гравитационного поля. Это означает, что наличие массы, например Солнца, влияет на движение близлежащих объектов. Мы можем описать гравитационное взаимодействие двумя способами: либо просто сказать, что Солнце влияет на движение Земли, либо ввести для удобства гравитационное поле, создаваемое Солнцем, которое, в свою очередь, оказывает влияние на движение любого тела, до которого дотянется.

Количественно закон Ньютона говорит нам, что напряжённость гравитационного поля Солнца пропорциональна его массе. Если тело в 100 раз тяжелее Солнца, его гравитационное поле будет в 100 раз сильнее и сила, действующая на Землю, будет в 100 раз больше. Это и означает фраза «масса является источником гравитационного поля».

Но если энергии и массы это одно и то же, то предыдущее утверждение может быть переформулировано в виде: «Энергия является источником гравитационного поля». Другими словами, все виды энергии влияют на гравитационное поле и поэтому также влияют и на движения близлежащих масс. Энергия вакуума в квантовой теории поля не является исключением. Даже пустое пространство будет создавать гравитационное поле, если плотность энергии вакуума не равна нулю. Объекты будут перемещаться по пустому пространству так, будто на них действуют силы. Самое интересное, что если вакуумной энергии приписать положительное значение, то её действие будет проявляться в виде силы всемирного отталкивания, своего рода антигравитации, стремящейся растащить галактики в разные стороны. Но это именно то, что мы говорили ранее о космологической постоянной.

Этот момент настолько важен, что я хочу остановиться и объяснить ещё раз. Если пустое пространство на самом деле заполнено энергией вакуума (или, что эквивалентно, вакуумной массой), то сила, с которой оно будет действовать на находящиеся в нём объекты, будет неотличима от силы, являющейся следствием существования ненулевой космологической постоянной. Незаконнорождённое дитя Эйнштейна оказалось не чем иным, как проявлением энергии нулевых колебаний квантового вакуума. Решив выкинуть космологическую постоянную из своих уравнений, Эйнштейн фактически декларировал, что никакой энергии вакуума не существует. Но с современной точки зрения у нас есть все основания полагать, что квантовая дрожь неизбежно порождает энергию в пустом пространстве.

Если космологическая постоянная, или энергия вакуума, действительно существует, то на её величину накладываются серьёзные ограничения. Если бы она была слишком большой, это привело бы к наблюдаемому искажению траекторий движения небесных тел. Космологическая постоянная должна быть если не нулевой, то очень маленькой. Но с тех пор, как мы идентифицировали космологическую постоянную с энергией вакуума, никто не может объяснить, почему она должна быть равна нулю или иметь крайне малое значение. Очевидно, скрещивание теории элементарных частиц с теорией гравитации Эйнштейна является очень рискованным делом, потому что получающийся теоретический результат приводит к значению космологической постоянной на много порядков больше.