Американский физик нашёл гигантскую энергию в пустоте

Физиков давно волнует загадка энергии вакуума. Согласно существующим теориям, её должно быть на 120 порядков (!) больше, чем следует из астрономических наблюдений. Свежая идея позволяет примирить с фактами этот "худший прогноз в истории науки".

Новая модель описана в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters Стивеном Карлипом (Steven Carlip) из Калифорнийского университета.

XX век подарил миру две величайшие физические теории. Одна из них – общая теория относительности (ОТО). Она трактует гравитацию как искривление пространства-времени. Её эффекты поддаются измерению, когда гравитационное поле создано очень массивным телом (планетой, звездой и так далее). За редкими исключениями они проявляются только в астрономических наблюдениях.

Другая – квантовая теория поля (КТП), описывающая квантовые свойства материи. Они проявляются для очень маленьких объектов, таких как элементарные частицы и атомы. С большим трудом квантовые эффекты наблюдаются в крупных молекулах.

Легко заметить, что область, где наблюдаются квантовые эффекты, почти не пересекается с вотчиной ОТО. И это в каком-то смысле большая удача, так как ОТО и КТП несовместимы друг с другом. Попытка применить их одновременно к одному и тому же объекту зачастую приводит к внутренне противоречивым и бессмысленным результатам.

Однако физики не оставляют попыток, так сказать, склеить две теории в ручном режиме. Оставив в покое случаи, когда несовместимость двух подходов бросается в глаза, они исследуют возможность применить их к другим ситуациям.

Такая работа ведётся давно и в разных направлениях. Например, одна из подобных гибридных моделей привела знаменитого Стивена Хокинга к открытию излучения, впоследствии названного его именем (его должны испускать чёрные дыры). Хотя оно ещё никогда не наблюдалось напрямую, эксперименты подтвердили реальность его аналогов.

Также одна из таких "стыковочных" теорий в середине XX века привела выдающегося теоретика Джона Уилера к понятию квантовой, или пространственно-временной, пены.

Дело в том, что, согласно КТП, в вакууме всё время рождаются пары из виртуальных частиц и их античастиц, которые тут же взаимно уничтожаются (аннигилируют). Чем меньше масштаб рассматриваемой области пространства-времени, тем больше энергия этих частиц. Получается, если в пространстве-времени можно выделить сколь угодно малую область, то и сконцентрированная там энергия будет сколь угодно большой.

Тут и вступает в игру ОТО. Дело в том, что согласно этой теории, гравитация создаётся не массой как таковой, а любой энергией. Просто в обычных условиях энергия покоя любого тела неизмеримо больше любого другого запаса его энергии. В самом деле, энергия покоя вычисляется по сакраментальной формуле Е₀ = mc², где с – скорость света в вакууме. А, например, кинетическая энергия тела – по формуле Е_k = mv²/2 где v – скорость движения тела.

Скажем, пуля, летящая со скоростью одного километра в секунду, движется в 300 тысяч раз медленнее света. Значит, её кинетическая энергия меньше энергии покоя в 45 миллиардов раз. Да, согласно ОТО, кинетическая энергия даёт свой вклад в гравитацию. Но эта поправка для пули (и других привычных нам тел) ничтожно мала по сравнению с энергией покоя. Поэтому обычно можно считать, что гравитация зависит только от энергии покоя, то есть в конечном счёте от массы.

Но, как мы уже говорили, в достаточно маленькой области пространства-времени энергия рождающихся виртуальных частиц может достигать сколь угодно больших значений. Эта энергия должна порождать гравитацию, то есть искривление пространства-времени.

Вычисления привели Уилера и других учёных к мысли, что на масштабах планковской длины (10^-35 метра) пространство-время представляет собой бурлящую массу чёрных дыр и кротовых нор, возникающих и исчезающих за планковское время (10^-44 секунды).

Однако это означает, что вакуум обладает огромной энергией. Теоретики вычислили, что она должна проявлять себя как космологическая постоянная, о которой "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали. Напомним, что это величина, отвечающая за ускорение расширения (или сжатия) Вселенной.

На сегодняшний день ускоренное расширение космоса – надёжно подтверждённый наблюдательный факт, который связывают с таинственной тёмной энергией. Однако, судя по темпам этого ускорения, количество тёмной энергии меньше предсказанного моделью квантовой пены в 10¹²⁰ раз (единица и 120 нулей после неё). Известный теоретик Ли Смолин в своё время назвал этот прогноз теории худшим во всей истории науки.

Многие исследователи пытались примирить концепцию квантовой пены с наблюдениями, но ни одну из таких попыток научное сообщество не признало достаточно успешной. Теперь Карлип предложил на суд экспертов свой вариант.

Физик предположил, что пространство на самом деле расширяется с тем огромным ускорением, которое предписывает ему теория квантовой пены. Просто в разных областях планковского объёма это ускорение имеет разные знаки. Проще говоря, одни области расширяются, а другие сжимаются. При усреднении по множеству участков планковского объёма (а в одном кубическом фемтометре их уже порядка 10⁶⁰) получается практически нулевой результат.

Однако как такая система будет эволюционировать со временем? Казалось бы, расширяющиеся области пространства будут всё больше расширяться, а от сжимающихся скоро практически ничего не останется. Таким образом, скоро вся Вселенная будет состоять только из расширяющихся регионов, и снова встанет вопрос, почему астрономы не видят этого раздувания с невероятным ускорением.

Однако Карлип показал, что этот "очевидный" сценарий неверен. Для этого он учёл, что внутри расширившихся областей пространства снова возникает квантовая пена. Кроме того, исследователь опирался на предположение, что все уравнения обратимы во времени, то есть прошлое состояние системы можно однозначно восстановить по её нынешнему состоянию. Ему понадобился и специальный приём "склейки" расширяющихся и схлопывающихся областей пространства-времени по краям. Наконец, он прибегнул к некоторым математическим упрощениям модели.

Таким образом, в модели автора огромное ускорение расширения пространства, предсказываемое теорией квантовой пены, действительно существует, но на микроуровне, недоступном на сегодняшний день для наблюдений и экспериментов. На макроуровне оно не проявляется, что давным-давно засвидетельствовали астрономы.

Как уточняет издание Physics, Карлип констатирует, что на данный момент его модель не является детально разработанной космологической теорией. В частности, она не уточняет, откуда всё-таки берётся то ненулевое количество тёмной энергии, которое приводит к наблюдаемому ускорению расширения Вселенной.

Кроме того, выводы исследователя, разумеется, должны быть проверены экспертным сообществом.

Наконец, стоит помнить, что попытки совместить ОТО и КТП в их нынешнем виде – это прогулки по тонкому льду. Никто не может гарантировать, что две теории, несовместимость которых показана во многих случаях, в каком-то другом примере дадут вместе осмысленный результат. Многие физики считают, что надёжным фундаментом такие построения могла бы обеспечить только модель, содержащая ОТО и КТП как свои упрощённые случаи. Таким кандидатом является, к примеру, теория струн.