Квантовая флуктуация что это
Какова роль квантовых флуктуаций в происхождении Вселенной?
Данные, собранные телескопом Планка, подтвердили несомненную теорию квантового происхождения структуры Вселенной. Что именно произошло после рождения Вселенной? Почему сформировались звезды, планеты и гигантские галактики? На эти вопросы пытается ответить Вячеслав Муханов, космолог из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, эксперт в области теоретической космологии.
Муханов использовал понятие так называемых квантовых флуктуаций, чтобы построить теорию, которая обеспечивает точную картину важнейшей начальной стадии эволюции нашей Вселенной: без минимальных вариаций в плотности энергии, которые появляются из крошечных, но неизбежных квантовых флуктуаций, невозможно представить образование звезд, планет и галактик, представляющих известную нам Вселенную.
Plank Consortium опубликовал новые анализы данных, собранных космическим телескопом Планка, который измеряет распределение космического микроволнового фонового излучения (CMB). Оно подсказывает нам, как в сущности выглядела Вселенная спустя 400 000 лет после Большого Взрыва. Последние данные находятся в полном соответствии с предсказаниями теории Муханова — например, расчета значения так называемого спектрального индекса начальных неоднородностей.
«Данные Планка подтверждают основные предсказания, что квантовые флуктуации лежат в основе происхождения всех структур Вселенной, — говорит Жан-Лу Пьюджет, главный исследователь инструмента HFI на спутнике Планка. Муханов, впервые опубликовавший свою модель в 1981 году и присоединившийся к факультету физики университета в 1997 году, говорит, что «не мог и рассчитывать на лучшее подтверждение своей теории».
Идея того, что квантовые флуктуации должны были сыграть свою роль на самом раннем этапе истории Вселенной, вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Гейзенберг показал, что существует конкретный предел точности, с которой можно определить положение и импульс частицы в любой определенный момент. Это, в свою очередь, предполагает, что изначальное распределение материи будет проявлять минутные неоднородности в плотности. Расчеты Муханова первыми показали, что такие квантовые флуктуации могут повлиять на разницу плотностей в ранней Вселенной, что, в свою очередь, может стать своего рода зернами для галактик и их скоплений. В действительности, без квантовых флуктуаций, природу и величину которых количественно охарактеризовал Муханов, наблюдаемое распределение материи во Вселенной было бы необъяснимо.
Последнее изучение наборов данных Планка более детально и информативно, чем предварительный анализ, опубликованный около двух лет назад. Оно показывает узоры, отпечатанные первичными флуктуациями на распределении радиации юной Вселенной, с беспрецедентной точностью. Инструменты вроде телескопа Планка смогли записать эти депеши из невообразимо далекого прошлого, зашифрованные в микроволновом фоне, которые идут через весь космос уже 13,8 миллиарда лет. Из этой информации, которую смогла реконструировать команда Планка, вылилась подробная картина распределения материи во время рождения Вселенной.
Кроме того, данные Планка показывают, что сигнал, подтверждающий возможное существование первичных гравитационных волн, полученный ранее, может быть серьезно связан с пылью в нашей собственной галактике. Команда BICEP2 использует наземный телескоп в Антарктиде для поиска признаков гравитационных волн, родившихся сразу после Большого Взрыва.
В марте 2014 года эта группа сообщила об обнаружении долгожданного паттерна. Однако вскоре эта интерпретация утонула под грузом сомнений. Совместный анализ команд Планка и BICEP2 привел ученых к выводу, что данных, непосредственно подтверждающих существование гравитационных волн, пока нет. Весной 2014 года Муханов пришел к выводу, что если его теория верна, команды BICEP2 и Планк могут ошибаться обе.
Этот последний анализ Планка — BICEP2 показывает, что теоретическая база вполне обоснована. «Гравитационные волны могут быть там, — сказал Муханов, — но наши инструменты могут быть недостаточно чувствительны, чтобы их уловить». Вне зависимости от того, чем обернется поиск первичных гравитационных волн, ни одна из моделей, которая пытается уловить состояние Вселенной после Большого Взрыва, не может обойтись без квантового происхождения структур Вселенной.
Повелители пустоты: квантовые флуктуации вакуума
Детальный вид центральной части экспериментальной установки для субцикловой квантовой электродинамики.
Андрей Москаленко, Денис Селецкий/Констанцский университет
Что такое виртуальные частицы, откуда берется «белый шум» в приборах, как физики ловят неуловимые колебания вакуума, а также что общего у движения автомобилей по автостраде и «сжатого света» в электрооптическом кристалле, рассказывает Indicator.Ru.
Виртуальные частицы: круговорот смертей и рождений
Для упрощения мы привыкли называть вакуум пустотой, такое «абсолютное ничто», в котором нет реальных частиц и излучений. Внимательный читатель уже, вероятно, предположил, что слово «реальные» появилось здесь неспроста, и он прав. Существует и понятие «виртуальные частицы». Эти частицы, согласно квантовой теории поля, имеют все те же характеристики состояния, что и реальные (квантовые числа), но, в отличие от них, связь между энергией и импульсом у виртуальной частицы нарушена. Поэтому виртуальные частицы не могут, возникнув, прожить долго: сразу после рождения их ждет либо поглощение реальными, либо быстрое исчезновение.
Виртуальные частицы были сначала предсказаны в теории. Они были нужны этой теории для того, чтобы объяснить фундаментальные взаимодействия между реальными частицами. С помощью теории эти взаимодействия можно описать как обмен виртуальными частицами. В свою очередь, это помогает объяснить и испарение черных дыр по Хокингу, и выделение фотона при распаде возбужденного атома или ядра, и рождение пары частица-античастица, и другие эффекты, которым без квантовых флуктуаций просто неоткуда взяться.
Так вот, благодаря беспрестанному рождению и смерти виртуальных частиц и происходят квантовые флуктуации в вакууме — кратковременные колебания уровня энергии в единице объема пространства-времени. Зафиксировав эти колебания на фемтосекундных (одна фемтосекунда — это миллионная доля миллиардной доли секунды) временных отрезках, физики подтверждают, что даже в вакууме, который мы привыкли называть «абсолютной пустотой», существуют колебания либо электрического, либо магнитного поля — как следствие принципа неопределенности Гейзенберга, который гласит, что мы не можем измерить свойства обоих этих полей (также как и скорость и импульс частицы) одновременно и точно.
Поймать неуловимую рябь пустоты
Хотя квантовые флуктуации вакуума настолько малы, что даже само измерение их (которое в любом случае проводится с использованием других частиц) обычно оказывает на них влияние (и снова принцип неопределенности), зафиксировать их до недавнего времени удавалось лишь косвенно, в основном в виде статических явлений. Так, например, был обнаружен лэмбовский сдвиг (едва заметное расщепление энергетических уровней в атоме водорода, которые должны иметь одинаковую энергию) и эффект Казимира (притяжение между незаряженными проводящими поверхностями, чаще всего зеркально плоскими и параллельными), вызываемые квантовыми флуктуациями.
Однако в 2015 году группа физиков под руководством Альфреда Ляйтенсторфера из Университета Констанца, среди которых были и российские ученые Андрей Москаленко и Денис Селецкий, впервые смогла напрямую измерить колебания электромагнитного поля ваккума в терагерцовом диапазоне частот с помощью новейших лазерных установок, генерирующих сверхкороткие импульсы. Суть метода детектирования состоит в следующем: когда луч линейно поляризованной фемтосекундной пробы проходит сквозь электрооптический кристалл, его поляризация становится эллиптической при воздействии терагерцового вакуумного поля. По уровню эллиптичности и измеряли амплитуду вакуумных флуктуаций электрического поля. При этом, в отличие от дробового (фонового) шума — отклонений из-за неравномерности выделения электронов, вызывающего мельчайшие колебания уровня тока в приборах, которые порождают «снег» на экране телевизоров и «белый шум» радиостанций, дополнительный вклад от квантовых флуктуаций ожидался на уровне нескольких процентов, что и было экспериментально показано.
Вакуум волнуется — два
Однако статья о результатах этих экспериментов, опубликованная в Science, вызвала не только положительные отзывы: часть ученых, например физик из Йельского университета Стив Ламоро (один из первых уловивших тонкий эффект Казимира), считает что зафиксированные колебания могли быть рождены и в самом электрооптическом кристалле. В таком случае квантовые флуктуации поля вакуума тут не при чем.
В свежем исследовании, статья о котором опубликована в журнале Nature, та же группа ученых, подтверждая свои результаты, пошла дальше: в этот раз им удалось воздействовать на поведение электрического поля квантового вакуума во времени. Это воздействие породило отклонения от основного состояния пустоты — тех самых вакуумных флуктуаций, объясняемых в рамках квантовой теории света.
Схематическое представление пространственно-временных отклонений от уровня невозмущенных вакуумных флуктуаций электрического поля. Эти отклонения создаются деформацией пространства-времени и детектируются в зависимости от времени. Цветная гиперповерхность является комбинацией продольного временного следа (красная линия) с функцией поперечной моды.
Андей Москаленко, Денис Селецкий/Констанцский университет
Проблема неточности измерений, вытекающая из принципа неопределенности Гейзенберга, состоит в том, что измерительный прибор сам воздействует на то, что измеряет, из-за чего невозможно одновременно определить и скорость, и положение объекта (или другие аналогичные пары величин) без погрешности. И если в нашем макромире мы легко пренебрегаем неточностями подобного рода из-за того, что погрешности приборов и наших органов чувств неизмеримо больше, в мире частиц подобная проблема чувствуется гораздо острее. Поэтому физики предложили фиксировать квантовую статистику (изучать свойства систем, состоящих из огромного числа частиц) во временном измерении, в отличие от традиционного подхода, когда рассматриваются частотные компоненты света. Для этого исследователям нужно было по 20 миллионов раз в секунду повторять измерения с помощью фемтосекундного лазера. «Мы можем анализировать квантовые состояния, не изменяя их в первом приближении», — поясняет Ляйтенсторфер. Этого можно достичь благодаря низкому уровню фонового шума от сверхкоротких лазерных импульсов.
Автомобильные пробки в вакууме
Сильно сфокусированные фемтосекундные импульсы могут изменить скорость света в определенном пространственно-временном сегменте электрооптического кристалла. В результате свет «сжимается» из-за перераспределения флуктуаций вакуумного поля. Ученые сравнивают этот эффект с затором на автостраде: когда машины едут медленнее на одном из участков дороги, в этом месте машины скапливаются, а уже выехавшие из пробки движутся более разреженно. Так и уровень квантовых флуктуаций до этого участка увеличивается, но в итоге в другом месте возникает его уменьшение.
Однако аналогия неполна: если число машин в норме постоянно, хоть в пробке они стоят, хоть едут, амплитуды квантового шума меняются несколько по другим правилам. Если «сжатие» умеренное, временная структура шума симметрично распределяется относительно вакуумного уровня, но если сжимать интенсивнее, дальнейшее понижение уровня шума идет медленнее. А вот накапливающийся несколькими фемтосекундами позже избыточный шум, напротив, вследствие принципа неопределенности растет нелинейно.
Остается до конца неясным, не было ли это измерение, которое в первом приближении, казалось бы, абсолютно не влияет на измеряемый объект и, следовательно, не искажает результат, на самом деле «слабым измерением» (когда фиксирующий прибор взаимодействует с объектом слабо и поэтому оказывает только малое воздействие на измеряемый квантовый объект). Это затрагивает и другие неразрешенные вопросы физики, например, что на самом деле представляет собой фотон: квантованный пакет энергии или меру локальной квантовой статистики электромагнитных полей в пространстве-времени (авторы исследования придерживаются последней версии).
Физики заглянули в «полную пустоту» и доказали, что в ней кое-что есть
Согласно квантовой механике, вакуум – не просто пустое пространство. На самом деле он наполнен квантовой энергией и частицами, крошечными частицами, постоянно появляющимися и так же исчезающими и оставляющими после себя след в виде сигналов, которые мы называем квантовыми флуктуациями. Десятилетиями эти флуктуации существовали только в наших квантовых теориях, пока в 2015 году исследователи не объявили о том, что напрямую их обнаружили и определили. А сейчас та же команда ученых заявляет, что продвинулась в своих исследованиях гораздо дальше — смогла провести манипуляции с самим вакуумом и определить изменения в этих загадочных сигналах из пустоты.
Высокоуровневая физика
Здесь мы вступаем на территорию высокоуровневой физики, но что более важно, если результаты эксперимента, о котором мы сегодня поговорим, подтвердятся, то, вполне возможно, это будет означать, что ученые открыли новый способ наблюдения, взаимодействия и практических проверок квантовой реальности без вмешательства в нее. Последнее особенно важно, так как одной из самых больших проблем квантовой механики – и нашего ее понимания – является то, что каждый раз, когда мы будем пытаться измерить или даже просто провести наблюдение за квантовой системой, этим воздействием мы будем ее уничтожать. Как вы понимаете, это не слишком вяжется с нашим желанием узнать, что же на самом деле происходит в этом квантовом мире.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
И именно с этого момента в помощь приходит квантовый вакуум. Но перед тем, как двигаться дальше, давайте кратко вспомним, что такое вакуум с точки зрения классической физики. Здесь он представляет собой пространство, полностью лишенное какой-либо материи и содержащий энергии самых низших величин. Здесь нет частиц, а значит ничто не способно помешать или исказить чистую физику.
Один из выводов одного из наиболее фундаментальных принципов квантовой механики – принципа неопределенности Гейзенберга – устанавливает предел точности наблюдения за квантовыми частицами. Также согласно этому принципу вакуум не является пустым пространством. Он заполнен энергией, а также парами из частиц-античастиц, появляющихся и исчезающих случайным образом. Эти частицы скорее «виртуальны», чем физически материальны, и именно поэтому вы не можете их обнаружить. Но даже несмотря на то, что они остаются невидимыми, как и большинство объектов квантового мира, они тоже оказывают воздействие на реальный мир.
Эти квантовые флуктуации создают флуктуирующие случайным образом электрические поля, способные воздействовать на электроны. И именно благодаря этому их воздействию ученые впервые непрямым образом продемонстрировали их существование в 1940-х годах.
Любые отклонения надо учитывать. Особенно в космических масштабах.
Как ученые определили флуктации
В течение последующих десятилетий это оставалось единственным, что нам было известно об этих флуктуациях. Однако в 2015 году группа физиков, работавшая под руководством Альфреда Ляйтенсторфера из Констанцского университета в Германии, заявила, что смогла напрямую определить эти флуктуации путем наблюдения за их воздействием на световую волну. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Science.
В своей работе ученые использовали коротковолновые лазерные импульсы продолжительностью всего несколько фемтосекунд, которые они направляли в вакуум. Исследователи стали отмечать едва заметные изменения в поляризации света. По мнению исследователей, эти изменения были напрямую вызваны квантовыми флуктуациями. Результат наблюдений наверняка еще не раз вызовет споры, однако ученые решили вывести свой эксперимент на новый уровень путем «сжатия» вакуума. Но и в этот раз они стали наблюдать странные изменения в квантовых флуктуациях. Получается, что этот эксперимент не просто оказался еще одним подтверждением существования этих квантовых флуктуаций, — здесь уже может идти речь о том, что ученые открыли способ наблюдения за ходом эксперимента в квантовом мире без воздействия на конечный результат, что в любом другом случае уничтожило бы квантовое состояние наблюдаемого объекта.
«Мы можем анализировать квантовые состояния без их изменения при первом же наблюдении», — комментирует Ляйтенсторфер.
Как правило, когда вы хотите проследить за воздействием квантовых флуктуаций на конкретно взятые частицы света, вам сперва необходимо обнаружить и выделить эти частицы. Это, в свою очередь, удалит «квантовую подпись» этих фотонов. Аналогичный эксперимент проводила команда ученых и в 2015 году.
В рамках же нового эксперимента вместо наблюдения за изменениями в квантовых флуктуациях путем абсорбирования или усиления фотонов света исследователи вели наблюдение за самим светом с точки зрения времени. Может прозвучать странным, но в вакууме пространство и время действуют таким образом, что наблюдение за одним сразу же позволяет побольше узнать и о другом. Ведя такое наблюдение, ученые обнаружили, что при «сжатии» вакуума это «сжатие» происходило ровным счетом так же, как это происходит при сжатии воздушного шарика, только в сопровождении квантовых флуктуаций.
Из-за чего флуктации стали сильнее
В какой-то момент эти флуктуации стали сильней, чем фоновой шум несжатого вакуума, а в некоторых местах, наоборот, слабее. Ляйтенсторфер приводит в качестве аналогии автомобильную пробку, двигающуюся через узкое пространство дороги: со временем автомобили, стоящие в своих полосах, занимают одну и ту же полосу, чтобы протиснуться сквозь узкое место, а затем снова разъезжаются по своим полосам. Тоже самое в определенной степени, согласно наблюдениям ученых, происходит и в вакууме: сжатие вакуума в одном месте приводит к распределению изменений квантовых флуктуаций в других местах. И эти изменения могут либо ускоряться, либо замедляться.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Этот эффект может быть измерен в пространственно-временном разрезе, как это показано на графике ниже. Парабола в центре изображения отображает точку «сжатия» в вакууме:
ПОдобные изучения сложны, но перспективны.
Результатом этого сжатия, как можно видеть на том же изображении, являются некоторые «проседания» во флуктуациях. Не менее удивительным для ученых оказалось и наблюдение того, что уровень мощности флуктуации в некоторых местах оказался ниже уровня фонового шума, который, в свою очередь, ниже, чем у основного состояния пустого пространства.
«Поскольку новый метод измерения не подразумевает захват или усиление фотонов, существует вероятность прямого определения и наблюдения за электромагнитным фоновым шумом в вакууме, а также контролируемых девиаций состояний, созданных исследователями», — говорится в исследовании.
В настоящий момент исследователи проверяют точность своего метода измерений, а также пытаются разобраться в том, на что он реально способен. Несмотря на уже более чем впечатляющие результаты этой работы, по-прежнему существует вероятность того, что ученые пришли к называемому «неубедительному методу измерения», который, возможно, и способен не нарушать квантовые состояния объектов, но в то же время не способен рассказать ученым больше о той или иной квантовой системе.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Если метод действительно окажется рабочим, то ученые хотят использовать его для измерения «квантового состояния света» — невидимого поведения света на квантовом уровне, которое мы только-только начинаем понимать. Однако для дальнейшей работы необходима дополнительная проверка – репликация результатов открытия команды исследователей из Констанцского университета и тем самым демонстрация пригодности предложенного метода измерений.
Квантовые флуктуации и их энергия
В этой статье я расскажу вам кое-что о том, как работает квантовая механика, в частности, об удивительном явлении под названием «квантовые флуктуации», и как оно применяется в квантовой теории поля, примером которой служит Стандартная Модель (уравнения, используемые нами для предсказания поведения известных элементарных частиц и взаимодействий). Глубокое понимание этого явления и связанной с ним энергии ведёт нас прямиком к одному из самых серьёзных и неразрешённых конфликтов в науке: проблеме космологической постоянной. Также оно ведёт нас к загадке естественности, или к проблеме иерархии.
В квантовой теории поля квантовые флуктуации иногда называют или описывают, как «появление и исчезновение двух или более виртуальных частиц». Этот технический жаргон оказывается очень неудачным, поскольку эти штуки (как бы мы их ни называли), однозначно не являются частицами – к примеру, у них нет определённой массы – а также, поскольку понятие «виртуальной частицы» точно определяется только в присутствии относительно слабых взаимодействий.
Рис. 1
Квантовые флуктуации тесно связаны с принципом неопределённости Гейзенберга. Вот классический, простейший пример (рис. 1). Если поместить шарик на дно чаши, он бесконечно останется там в покое. Этого можно ожидать на основании повседневного опыта. И в отсутствии квантовой механики так бы всё и было. Но если вы поместите очень лёгкую частицу в крохотную чашу или в ловушку другого типа, вы обнаружите, что ей не сидится на дне. Если бы она неподвижно находилась внизу, это нарушило бы принцип неопределённости – гарантирующий, что вы не можете одновременно узнать точно, где находится частица (то есть, на дне) и как она движется (в нашем случае – не движется). Это можно представлять, пусть неидеально, зато практично, как некое постоянное дрожание, влияющее на частицу и не дающее ей успокоиться так, как вам подсказывает интуиция на примере шариков и чаш. Один полезный аспект этой несовершенной картины – она даёт понять, что с этим дрожанием может быть связана энергия.
В квантовой теории поля – квантовых уравнениях для полей, таких, как электрическое, наблюдается схожий эффект. Давайте я его объясню.
Флуктуации квантовых полей
Каждая элементарная частица (а я сейчас говорю о реальных частицах) в нашей Вселенной – это рябь, небольшая волна, волна минимальной возможной интенсивности, идущая по соответствующему элементарному квантовому полю (рис. 2). Частица W – это волна в поле W; фотон – волна в электрическом поле; верхний кварк – волна в поле верхнего кварка.
А если частиц нет? Даже там, где, как мы считаем, есть только пустое пространство, поля всё равно существуют – сидит себе тихонечко, так же, как в пруду есть вода, даже если ни ветер, ни камешки не порождают рябь на его поверхности, и как в комнате есть воздух, даже если там нет никаких звуков.
Рис. 2
Однако штука в том, что эти поля никогда не ведут себя абсолютно тихо. Квантовые поля не поддерживают постоянное значение; их значение в любой точке пространства всегда немного подрагивает. Дрожание называют «квантовыми флуктуациями», и точно так же, как для частицы в крохотной чаше, оно – последствие знаменитого «принципа неопределённости Гейзенберга». Вы не можете узнать значение поля и одновременно его изменение; ваше знание одной из этих величин, а обычно, двух, должно быть несовершенным. И эти флуктуации тоже иногда объясняют как причину наличия двух или более «виртуальных частиц», но это название связано только с техническими аспектами (с подсчётами свойств флуктуаций при помощи знаменитых диаграмм Фейнмана), и не говорит о том, как вам нужно себе это представлять.
Очевидный вопрос: а уверены ли вы в наличии квантовых флуктуаций полей? Ответ: да, хотя пока я объяснять это не буду. Один пример: квантовые флуктуации приводят к тому, что сила взаимодействий плавает, когда вы измеряете её на всё более и более коротких расстояниях – и мы не только наблюдаем этот эффект, он ещё и с высокой точностью совпадает с тем, что мы можем подсчитать при помощи Стандартной Модели. Этот успех подтверждает не только наличие квантовых флуктуаций, но и детальную структуру Стандартной Модели, вплоть до дистанций порядка одной миллионной миллионной миллионной доли метра. Ещё пример: реакцию электрона на магнитное поле можно измерить с точностью до одной триллионной; также её можно подсчитать через Стандартную Модель с точностью до одной триллионной, предполагая наличие флуктуаций в известных нам полях. Удивительно, но измерения совпадают с подсчётами Стандартной Модели.
Что важно, это дрожание порождает определённое количество энергии – довольно много. Сколько? Чем лучше ваш микроскоп (или ускоритель частиц), тем больше дрожания вы видите, и тем больше энергии дрожания вы обнаруживаете.
Энергия квантовых флуктуаций и космологическая постоянная
Рассмотрим коробку с ребром в один метр и спросим: сколько энергии, связанной с дрожанием одного квантового поля, можно насчитать в этой коробке (рис. 3)?
Подсчёт 1: допустим, как показывают наши экспериментальные измерения на Большом Адронном Коллайдере, Стандартная Модель – рабочее описание всех процессов, происходящих на расстояниях больших, чем одна миллионная миллионной миллионной доли метра – назовём это «БАКовым расстоянием», равным примерно 1/1000 радиуса протона, поскольку примерно такой масштаб экспериментов можно проводить на БАК – там доступны процессы, включающие столкновения элементарных частиц с энергиями меньше, чем 1000 массовых энергий протона (той энергии, что E = mc 2 ). Эта энергия – типичная энергия массы самой тяжёлой частицы, которую можно надеяться обнаружить при столкновениях протонов в БАК, так что назовём её «БАКовой энергией». Тода количество энергии флуктуаций каждого поля в Стандартной Модели (допустим, электрического поля) таково: в каждом кубе с размером рёбер, равным БАКовому расстоянию содержится БАКовая энергия. Иначе говоря, плотность энергии составляет одну БАКовую энергию на один БАКовый объём.
Подсчёт 2: допустим, как это связано с вопросом о проблеме иерархии и естественности Вселенной, что Стандартная Модель описывает все процессы физики частиц вплоть до масштабов, на которых гравитация становится сильным взаимодействием – на т.н. планковской длине, которая, в свою очередь, ещё в тысячу миллионов миллионов раз меньше, чем расстояния из подсчёта 1. Тогда количество энергии флуктуаций электрического поля, содержащееся в кубическом метре, больше, чем в подсчёте 1 в
(1 000 000 000 000 000) 4 = 1 с 60 нулями
Рис. 3
В общем, если Стандартная Модель (или любая типичная квантовая теория поля без особых симметрий) верна вплоть до масштабов длины L, то энергия флуктуаций в кубе размером L 3 примерно равна hc/L для каждого поля, где h – постоянная Планка, а c – универсальный предел скорости, известный, как «скорость света». Это значит, что плотность энергии примерно равна hc/L 4 — если L уменьшается в 10 раз, то плотность энергии растёт в 10 000 раз! Именно поэтому числа в подсчётах 1 и 2 получились такими огромными.
Эти утверждения могут показаться вам странными. Они и есть странные – но ведь квантовая физика полна странностей. Более того, ни квантовая механика, ни квантовая теория поля пока нас не подводили. Как я упоминал ранее, у нас есть полно доказательств того, что простейшие подсчёты, аналогичные приведённым, прекрасно работают в квантовой теории поля. Факт существования квантовых флуктуаций вместе с их энергией так глубоко встроен в квантовую механику, что для того, чтобы объявить их ложными, вам нужно будет объяснить целую библиотеку экспериментальных результатов, которым квантовая механика сделала правильные предсказания. Так что, как у учёных, у нас нет другого выхода, как относиться к этим расчётам серьёзно, и пытаться их понять.
У вас может появиться пара очевидных вопросов: почему мы не можем просто определить, есть там эта энергия или нет? Почему вся эта огромная энергия никак не действует на обычную материю и на нас самих? Первая часть ответа: поскольку в каждом кубическом метре пространства содержится одно и то же количество энергии, внутри и снаружи любого куба (рис. 4), который вы сможете нарисовать. Аналогия: внутри дома есть давление воздуха, но дом из-за этого не взрывается, пока снаружи дома находится равное давление воздуха. Точно так же, тот факт, что эта энергия плотности крохотных квантовых флуктуаций постоянна во всём пространстве и времени, означает, что она не оказывает никакого влияния на объекты, покоящиеся или движущиеся сквозь неё. Только изменения энергии во времени или в пространстве будут действовать на частицы, на атомы, состоящие из этих частиц, на людей и планеты, состоящих из этих атомов. И действительно, эта энергия квантовых флуктуаций одинакова везде и всегда, поэтому её невозможно ощутить, попробовать или воспользоваться ею.
Рис. 4
Однако! Ответ, часть 2: хотя в ньютоновской гравитации, в которой гравитация притягивает массы, эта энергия пустого пространства никак себя не проявит, в версии Эйнштейна, где гравитация притягивает энергию и импульс, это уже будет не так. Будет ли правильным подсчёт 1, или подсчёт 2, или нечто среднее, такое огромное количество энергии в каждом кубическом метре пространства – то, что часто называют «тёмной энергией» – должно заставлять Вселенную расширяться с огромной скоростью! Этот механизм привёл к «космической инфляции», фазе, через которую Вселенная, возможно, прошла очень давно, что и сделало её такой равномерной, какой мы видим её сегодня. То, что Вселенная не расширяется с огромной скоростью, говорит о том, что плотность энергии пространства должна быть гораздо меньше плотности энергии обычной материи, а не гораздо больше. В каждом кубическом метре пустого пространства есть только энергия массы одного атома, а в кубическом метре твёрдой материи содержится энергия массы множества атомов – примерно 1 с 30 нулями. То, что в пустом пространстве плотность энергии, по-видимому, очень мала, несмотря на все наши подсчёты того, сколько её должно быть из-за квантовых флуктуаций полей, о которых мы знаем – и есть отец и мать всех великих загадок квантовой физики: проблема космологической постоянной.
Следующий очевидный вопрос: а вы уверены, что у квантовых флуктуаций на самом деле есть энергия, или же, возможно, её там нет, что могло бы устранить проблему космологической постоянной? Ответ: да, я уверен, что у квантовых флуктуаций есть энергия. Она называется нулевой энергией, и она фундаментальна для квантовой механики, благодаря опять-таки принципу неопределённости. И это можно проверить: в хитроумном эксперименте энергию можно заставить работать благодаря эффекту Казимира, который был предсказан в 1940-х, впервые наблюдался в 1970-х и более точно проверен в 1990-х. Однако существуют споры по поводу того, связан ли он на самом деле с нашей темой.
Проблема космологической постоянной весьма серьёзна. Экспериментально нам известно, что Вселенная не расширяется с невероятной скоростью; она делает это довольно медленно; это будет измерение 0 на рис. 3 (снизу). Поэтому:
• Либо этот подсчёт (и даже подсчёт 1, который не делает никаких предположений о том, что нам неизвестно из Стандартной Модели) в чём-то ошибочен, и этой энергии нет,
• Либо действие этой энергии на расширение Вселенной не такое, как мы думаем, поскольку мы неправильно понимаем гравитацию,
• Либо подсчёт правильный, но он отвечает не на тот вопрос каким-то непонятным нам образом.
Этого точно никто не знает. Я расскажу о возможных решениях этой проблемы в отдельной статье о космологической постоянной. Но я упомянул одно интересное решение, которое однозначно не работает, поскольку оно будет связано с другой темой.
Может ли энергия различных полей взаимно уничтожаться?
Есть такая хитрая идея о том, как избавиться от этой энергии. Оказывается, что:
• Энергия флуктуаций бозонных полей (полей для фотона, глюона, W, Z и Хиггса, и даже гравитона) положительна,
• Энергия флуктуаций фермионных полей (полей для электрона, мюона, тау, трёх нейтрино и 6 кварков) отрицательна!
Так что, возможно, хотя энергия каждого поля огромна, когда вы просуммируете энергию всех полей, то общая энергия окажется нулевой – или хотя бы очень малой?
Вы можете провести такие расчёты, и в Стандартной Модели вы увидите, что это не работает; есть слишком много фермионов, и в пустом пространстве должно существовать огромное количество отрицательной энергии.
Одна из крутых вещей теории суперсимметрии в том, что она заставляет вас добавлять именно те частицы, что нужно (суперпартнёры для каждого из известных типов частиц) так, что вы автоматически получаете это взаимное уничтожение! И, на самом деле, это единственный вид теории, известной человечеству, в которой это возможно.
К сожалению, на самом деле это не решает проблемы космологической константы. Если суперсимметрия не проявляется явно [а в нашем мире это невозможно – массы всех известных частиц должны быть идентичны массам их гипотетических суперпартнёров, и тогда мы бы их уже давным-давно нашли], тогда это взаимное уничтожение работает только частично. Частичное уничтожение, способное опровергнуть подсчёт 2, всё равно оставляет вам огромное количество энергии из подсчёта 1. Как отмечено на рис. 3, этого гигантского количества энергии достаточно, чтобы Вселенная вела себя совсем не так, как мы видим, если только с теорией гравитации Эйнштейна что-то не так.
Короче говоря, на сегодня никто не знает хитрого способа автоматически взаимно уничтожить плотность энергии флуктуаций различных полей в мире, описываемом Стандартной Моделью вплоть до БАКовских расстояний. На самом деле, никто даже не знает, как это сделать в любой немного несуперсимметричной квантовой теории поля (и всё равно, комбинирование суперсимметрии с гравитацией возрождает эту проблему).
Иначе говоря: даже если допустить существование особого взаимного уничтожения между бозонными полями природы и фермионными полями природы, судя по всему, такое взаимное уничтожение может произойти только случайно, и в очень-очень малой доле квантовых теорий поля или квантовых теорий любого типа (включая струнную теорию). Таким образом, только очень-очень крохотная часть вселенных, которые можно себе представить, могут хотя бы приблизительно напоминать нашу с вами (или хотя бы ту её часть, которую мы можем наблюдать при помощи глаз и телескопов). В этом смысле, проблема космологической постоянной является проблемой естественности, как этот термин понимают специалисты по физике частиц и их коллеги: поскольку во Вселенной, в которой мы живём, содержится так мало тёмной энергии по сравнению с тем, что мы ожидаем, наша Вселенная очень необычна и нетипична.