Текст книги "Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной"

Законы Физики

Теперь, надеюсь, вы имеете чёткое представление о том, что я подразумеваю под Законами Физики. К сожалению, я не могу подобно некоторым физикам сказать вам, что эти законы элегантны. Правда состоит в том, что это не так. В этой картине слишком много частиц, слишком много вершин диаграмм и слишком много констант связи, а ведь я ещё не рассказал вам о случайном наборе масс, которыми обладают частицы. Все это образует очень неприятный коктейль, но есть одно «но»: эти законы описывают свойства элементарных частиц, ядер, атомов и молекул с невероятной точностью.

Однако цена, которую приходится платить, требует введения не менее 30 «физических констант»[29]29
  Это только необходимый минимум, не включающий числовые параметры, необходимые для космологии или некоторых расширений Стандартной модели. Если включить все дополнительные константы, то их число легко перевалит за сотню.


[Закрыть] – масс и констант связи, значения которых не имеют иного обоснования, кроме того, что они «работают». Откуда берутся эти числа? Физики не в состоянии вывести эти числа ни из тонких материй, ни из математических вычислений. Они являются результатом многих лет экспериментальных исследований элементарных частиц на ускорителях в лабораториях многих стран. Многие из этих констант, как, например, постоянная тонкой структуры, были измерены с большой точностью, но в конечном итоге, как я уже сказал, мы не понимаем, почему они такие, какие есть.

Стандартная модель является кульминацией и квинтэссенцией более чем полувековой истории развития физики элементарных частиц. В сочетании с методом фейнмановских диаграмм она даёт точные описания всех явлений в физике элементарных частиц, включая способы объединения частиц в атомные ядра, атомы, молекулы, газы, жидкости и твёрдые тела. Но она слишком сложна, чтобы служить образцом простоты, которая, как мы надеемся, будет отличительной чертой действительно фундаментальной теории – окончательной теории природы.

В отличие от человеческих законов, Законы Физики являются безусловными законами. Мы можем соблюдать закон или игнорировать его, но электрон не имеет такого выбора. Эти законы не похожи на правила дорожного движения или налоговое законодательство, которое меняется от штата к штату и от года к году. Возможно, самый важный экспериментальный факт, который вообще делает возможным изучение физики, состоит в том, что все мировые константы действительно являются константами. Эксперименты, поставленные в разное время в разных местах, описываются одними и теми же фейнмановскими диаграммами и дают одни и те же значения для каждой константы связи и массы. Когда постоянная тонкой структуры была измерена в Японии в 1990-х, она оказалась точно такой же, как и в Брукхейвенской лаборатории в Лонг-Айленде в 1950 году или в Стэнфордском университете в 1970 году.

В самом деле, когда физики проводят космологические исследования, они принимают как должное, что законы природы одинаковы повсюду во Вселенной. Но законы не обязаны быть такими. Безусловно, можно представить себе мир, в котором постоянная тонкой структуры изменяется со временем или в котором отдельные константы варьируются от одного места к другому. Время от времени физики ставят под сомнение предположение, что константы абсолютно постоянны, но пока что у нас нет ни одного свидетельства того, что они не одинаковы в любой части наблюдаемой Вселенной: не во всём гигантском Мегаверсуме, а в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать при помощи различных типов телескопов, имеющихся в нашем распоряжении.

Когда-нибудь мы сможем достичь далёких галактик и измерить константы непосредственно на месте. Но даже сейчас мы постоянно получаем «сводки» из удалённых областей Вселенной. Астрономы ловят свет, приходящий от далёких источников, и распутывают спектральные линии, образующиеся при излучении или поглощении света далёкими атомами.[30]30
  Спектральные линии обсуждаются в главе 5.


[Закрыть] Отношения между отдельными спектральными линиями весьма запутанны, но они всегда одинаковы, независимо от того, где и когда возник пойманный телескопом свет. Практически любое изменение в местных Законах Физики изменило бы детали спектра, так что у нас есть убедительное свидетельство, что правила одинаковы во всех частях наблюдаемой Вселенной.

Эти правила – список частиц, масс и констант связи, список фейнмановских правил – то, что я называю Законами Физики, – универсальны. Они управляют практически всеми аспектами физики, химии и, в конечном счёте, биологии, но они не объясняют сами себя. У нас нет теории, которая сказала бы нам, почему правильна именно Стандартная модель, а не что-то другое. Может быть, есть ещё и другие Законы Физики? Могут ли списки элементарных частиц, масс и констант связи отличаться от наших в тех частях Вселенной, которые мы не можем наблюдать? Могут ли Законы Физики далёкого прошлого отличаться от нынешних? Если да, то что управляет их изменением? Существуют ли более глубокие законы, определяющие, какие Законы Физики возможны, а какие нет? Таковы вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой в начале XXI века. Ответам на эти вопросы и посвящён «Космический ландшафт».

Кое-что может вызвать у вас недоумение после прочтения этой главы. Я не раз упоминал, что наиболее важной силой во Вселенной является гравитация. Ньютон создал классическую теорию гравитации, которая носит его имя. Эйнштейн ещё глубже проник в природу гравитации в общей теории относительности. И, несмотря на то что законы гравитации гораздо важнее для определения судьбы Вселенной, чем все остальные, гравитация не является частью Стандартной модели. Причина такой дискриминации вовсе не в том, что тяготение не имеет значения. Напротив, из всех сил природы оно будет играть в этой книге самую большую роль. Причина отделения законов гравитации от других законов заключается в том, что отношение гравитации к микроскопическому миру квантово-механических элементарных частиц ещё никому не понятно. Фейнман пытался применить собственные методы к гравитации и с сожалением сдался. Более того, он как-то посоветовал мне никогда не заниматься этой темой. Пусть это печенье пока постоит в закрытой банке на верхней полке…

В следующей главе я расскажу вам о «матери всех физических проблем». Это мрачная сказка о том, как всё идёт наперекосяк при попытке совместить гравитацию с описанными выше Законами Физики. Это жестокий рассказ о крайних формах насилия над природой. Законы Физики в том виде, как мы их понимаем, готовят нам чрезвычайно смертоносную Вселенную. Очевидно, в супе чего-то не хватает.

Глава 2. Мать всех физических проблем

Нью-Йорк, 1967

Впервые я узнал о «матери всех физических проблем» в один погожий осенний день в Нью-Йорке в малоизвестном районе Вашингтон-Хайтс. Расположенный в трёх километрах к северу от Колумбийского университета, Вашингтон-Хайтс является частью Манхэттена, но во многих отношениях больше напоминает Южный Бронкс, где я вырос. Когда-то он был еврейским районом, где проживали представители среднего класса, но потом большинство евреев покинули его, и их сменили латиноамериканцы, преимущественно кубинские рабочие. Этот большой район недорогих кубинских ресторанов был моим любимым кубинско-китайским местом.

Люди, знакомые с этим районом, знают, что на Амстердам-авеню около 187-й стрит есть несколько необычных зданий в византийском стиле. Прилегающие улицы заполнены молодыми ортодоксальными еврейскими студентами и раввинами; местным студенческим кабаком служила в то время «фалафельная», известная под названием MacDovid's. Дома по нечётной стороне – это кампус Иешива-университета, старейшего еврейского высшего учебного заведения в Соединённых Штатах, специализирующегося на подготовке раввинов и талмудических учёных, но в 1967 году в его состав входила высшая физико-математическая школа Белфер.

Я только что пришёл в школу Белфер на должность ассистента профессора после года докторской работы в Беркли. Поскольку экзотические здания Иешивы ничем не напоминали кампусы Беркли или Гарварда или любые другие университетские кампусы, поиск физического факультета стал проблемой. Бородатый парень на улице указал на верхнюю часть одного из зданий, похожую на купол башни или маковку церкви. Всё это не выглядело многообещающим, но это была единственная работа, на которую я мог рассчитывать, поэтому я вошёл внутрь и поднялся по винтовой лестнице. Наверху обнаружилась открытая дверь в очень маленький тёмный офис, заполненный массивными книжными шкафами с большими томами в кожаных переплётах, все названия которых были написаны на иврите. В офисе сидел похожий на раввина седобородый джентльмен, читавший какой-то древний фолиант.

Табличка на офисе гласила:

Физический факультет

Профессор Познер

«Э… это физический факультет?» – спросил я, ничего не понимая. «Именно так, – ответил он, – и я профессор физики. А кто вы?»

«Я новый сотрудник, новый ассистент профессора – Сасскинд». Его лицо приобрело любезное, но крайне удивлённое выражение: «Ой-вей, они никогда не говорили мне ничего подобного. Что за новый сотрудник?» – «Могу я видеть декана?» – я начал терять терпение. «Я декан. А также единственный профессор физики, и я ничего не знаю ни о каких новых сотрудниках». Мне было 26 лет, у меня была жена и двое маленьких детей, и передо мной со всей отчётливостью замаячила перспектива остаться безработным.

В смущении и замешательстве я спустился вниз и, переходя улицу, вдруг увидел моего знакомого по колледжу Гэри Грубера: «Эй, Грубер, что здесь происходит? Я только что был на физическом факультете. Я был уверен, что там полно физиков, но там оказался только один старый раввин по фамилии Познер». Груберу моя фраза показалась очень забавной. Он засмеялся и сказал: «Я думаю, что ты, вероятно, попал в начальную школу, а не в высшую. Высшая – за углом на 184-й стрит. Я учусь там в аспирантуре». О, сладостное облегчение! Я прошёл к 184-й стрит и посмотрел в ту сторону, куда указал Грубер, но не увидел ничего, что могло бы напоминать высшую школу. Вдоль улицы тянулся ряд неприметного вида витрин. В одной из них рекламировались государственные облигации, другая была и вовсе пуста, а верхние этажи здания заколочены досками. Самый крупный магазин предлагал всё для бар-мицва и еврейских свадеб. Он выглядел давно заброшенным, но в нём ещё продавалось какое-то оборудование для приготовления кошерной пищи. Я прошёл мимо него, в недоумении развернулся и на обратном пути рядом с витриной увидел небольшую табличку:

Высшая школа Белфер.

Табличка указывала вверх на широкую лестницу. На ступенях лестницы лежал старый, изрядно потёртый ковёр, и запах еды с первого этажа поднимался по лестнице вверх. Место производило удручающее впечатление, но тем не менее я поднялся в большое помещение, напоминающее зал для свадебных торжеств и бар-мицвы, обставленное диванами и удобными стульями и, к моему огромному облегчению, – увешанное классными досками. Классные доски для меня означали физиков.

По периметру зала теснились около двадцати офисных клетушек. Вся школа размещалась в этом огромном зале. Было бы очень тяжело признать в ней физическую школу, если бы не несколько человек, которые вели разговор на физическую тему возле одной из досок. Более того, я узнал некоторых из них. Я увидел Дейва Финкельштейна, который нашёл для меня эту работу. Дэйв был блестящим харизматичным физиком-теоретиком, только что опубликовавшим статью о применении топологии в квантовой теории поля, которой суждено было стать классикой теоретической физики. Я также увидел П. А. М. Дирака, возможно, величайшего физика XX века после Эйнштейна. Дэйв представил меня Якиру Ааронову, соавтору открытия эффекта Ааронова – Бома. Он беседовал с Роджером Пенроузом, в настоящее время – сэром Роджером. Роджер и Дэйв были двумя пионерами в теории чёрных дыр. Я увидел открытую дверь с табличкой, гласившей: Джоэл Лейбовиц. Джоэл, известный специалист в области математической физики, спорил с Либом Эллиотом, имя которого мне также было известно. Это было сборище самых блестящих физиков, которых я когда-либо встречал, – и все в одном месте.

Они рассуждали об энергии вакуума. Дейв утверждал, что вакуум заполнен энергией нулевых колебаний и что эта энергия оказывает эффект на гравитационные поля. Дираку не нравилась идея энергии вакуума, потому что она получалась бесконечной. Он считал, что если что-то в теории становится бесконечным, значит, математика такой теории ошибочна, и, следовательно, энергии вакуума не существует. Дэйв немедленно втянул меня в дискуссию, объяснив, как он пришёл к такому выводу. Этот спор стал для меня роковым – я озадачился проблемой, которая преследовала меня в течение последующих сорока лет и в конечном итоге привела к Космическому Ландшафту.

Худшее из когда-либо сделанных предсказаний

Часть нашего разума – я предлагаю называть её эго, – которая получает удовольствие от доказательства своей правоты, особенно хорошо развита у физиков-теоретиков. Создание теории некоторого явления с последующим расчётом, получающего позднее экспериментальное подтверждение, – это огромный источник удовлетворения. Иногда эксперимент проводится ещё до расчёта, и в этом случае теория не предсказывает, а скорее объясняет результат, но и это тоже неплохо. Даже очень хорошие физики делали в прошлом и делают сейчас неправильные предсказания. Мы склонны забывать о них, но есть одно неправильное предсказание, которое никуда не делось. На сегодняшний день – это худший расчёт, который когда-либо делал кто-либо из физиков. Неправильность этой работы была настолько очевидна, что даже не требовалось эксперимента, чтобы доказать её ошибочность. И самое страшное, что этот неправильный результат, как нам представляется, является неизбежным следствием нашей лучшей теории – квантовой теории поля.

Прежде чем я назову величину ошибки, позвольте мне уточнить, что такое неправильное предсказание. Если результат расчёта расходится с экспериментом в 10 раз, мы говорим, что ошибка составляет один порядок. Если расхождение составляет 100 раз, то это два порядка. Расхождение в 1000 – три порядка, и т. д. Ошибиться на один порядок величины – это плохо. На два порядка – катастрофа. На три – позор. Так вот, все усилия лучших физиков, использовавших свои лучшие теории для предсказания величины космологической постоянной Эйнштейна, дают ошибку на… сто двадцать порядков! Это настолько плохо, что просто смешно.

Эйнштейн был первым, кто обжёгся на космологической постоянной. В 1917 году, через год после завершения общей теории относительности, он написал статью, о который впоследствии сожалел как о худшей из своих ошибок. Статья называлась «Вопросы космологии и общая теория относительности» и была написана за несколько лет до того, как астрономы поняли, что слабые светящиеся пятна на небе, называемые туманностями, на самом деле являются далёкими галактиками. Прошло ещё двенадцать лет, и американский астроном Эдвин Хаббл произвёл революцию в астрономии и космологии, продемонстрировав, что все галактики удаляются от нас со скоростью, которая растёт с увеличением расстояния до них. Эйнштейн в 1917 году не знал, что Вселенная расширяется. Он, как и все прочие в то время, полагал, что галактики относительно неподвижны и вечно находятся в одних и тех же местах.

Согласно теории Эйнштейна, Вселенная является замкнутой, что в первую очередь означает, что пространство имеет конечную протяжённость. Но это не означает, что у пространства есть край. Например, поверхность Земли тоже является замкнутой. На поверхности Земли не существует точки, удалённой от другой далее чем на 20 000 километров. Кроме того, поверхность Земли не имеет края: нет на Земле такого места, где бы она заканчивалась. Лист бумаги конечен, но он имеет край, некоторые даже скажут: четыре края. Но на поверхности Земли, если вы будете долго идти в любом направлении, вы никогда не достигнете конца пространства. Как и Магеллан, вы в конечном итоге возвратитесь в исходную точку.[31]31
  На самом деле Магеллан не вернулся обратно в Европу. Он погиб на Филиппинах, но оставшимся в живых членам его команды удалось обогнуть земной шар, тем самым доказав, что он действительно является шаром.


[Закрыть]

Мы часто используем словосочетание «земной шар», но в нашем случае речь идёт только о поверхности Земли, которая в первом приближении является сферой. Чтобы сделать аналогию между поверхностью Земли и Вселенной Эйнштейна корректной, необходимо иметь в виду только поверхность, а не земной шар в целом. Представим себе существ – назовём их плоскатиками, – которые обитают на поверхности сферы. Предположим, что они ни при каких обстоятельствах не могут покинуть эту поверхность: они не могут летать и не могут копать. Давайте также предположим, что единственные сигналы, которыми они обмениваются, распространяются только вдоль поверхности. Например, они могут изучать окружающую среду, испуская и регистрируя поверхностные волны некоторого вида. У этих существ не будет концепции третьего измерения, и они не способны его использовать. Такие существа действительно обитают в замкнутом двумерном мире. Математик бы назвал его 2-сферой, потому что она является двумерной поверхностью.

Мы не плоскатики, живущие в двумерном мире. Однако согласно теории Эйнштейна, мы живём в трёхмерном аналоге сферы. Замкнутое трёхмерное пространство трудно изобразить наглядно, но оно имеет смысл. Математическим термином для обозначения такого пространства является 3-сфера. Подобно плоскатикам мы могли бы обнаружить, что живём в 3-сфере, совершив путешествие в одном направлении и вернувшись в итоге в исходную точку. Согласно теории Эйнштейна, наше реальное пространство является 3-сферой.

Вообще говоря, сфера может иметь любое количество измерений. Простейшим примером является окружность.

Окружность одномерна, как и линия. Если бы мы жили на окружности, то имели бы возможность перемещаться только в одном направлении. Другое название окружности – 1-сфера. Перемещение вдоль окружности – это то же самое, что перемещение вдоль линии, за исключением того, что через некоторое время мы возвращаемся в исходную точку. Чтобы определить круг, начнём с того, что изобразим на двумерной плоскости замкнутую кривую. Если расстояние от центральной точки до каждой точки нашей кривой одно и то же, то наша кривая – окружность. Обратите внимание, что для определения 1-сферы мы начали с двумерной плоскости.

Аналогично можно определить 2-сферу, за исключением того, что теперь мы начнём с трёхмерного пространства. Поверхность является 2-сферой, если каждая её точка находится в трёхмерном пространстве на одном и том же расстоянии от центра. Теперь понятно, как обобщить наше определение на 3-сферу или вообще на сферу любой размерности. Для определения 3-сферы следует перейти в четырёхмерное пространство. Представьте себе пространство, для описания положения точки в котором используются четыре координаты вместо обычных трёх. Теперь просто выберите все точки, находящиеся на одном и том же расстоянии от начала координат. Все они лежат на 3-сфере.

Подобно плоскатикам, живущим на 2-сфере, которым неинтересно изучать что-либо, кроме поверхности сферы, геометру, изучающему 3-сферу, нет никакого дела до четырёхмерного пространства, в которое вложена 3-сфера. Мы можем выбросить из головы четвёртое измерение и сосредоточиться только на 3-сфере.

Космология Эйнштейна описывает пространство, которое в первом приближении имеет форму 3-сферы, но, как и земная поверхность, не обладает совершенной сферической формой. В общей теории относительности пространство не является жёстко зафиксированным, оно больше похоже на поверхность упругого воздушного, а не жёсткого стального шара. Представьте себе Вселенную в виде поверхности такого гигантского деформируемого воздушного шарика. Плоскатики живут на резиновой поверхности и фиксируют только сигналы, распространяющиеся вдоль этой поверхности. Они ничего не знают о других пространственных измерениях, не имеют понятия о внутренностях шара, внешней воздушной оболочке. Их пространство является гибким как резина, и расстояние между двумя точками в таком пространстве может со временем изменяться.

На этом воздушном шарике нарисованы галактики, более или менее равномерно покрывающие его поверхность. Если воздушный шарик надувается, галактики движутся друг от друга. Если он сдувается, галактик сближаются. Все это довольно легко себе представить. Трудность возникает при переходе от двух измерений к трём. Теория Эйнштейна описывает мир, в котором пространство является гибким и растяжимым и имеет форму, близкую к 3-сфере.

А теперь добавим гравитационное притяжение. Согласно теории гравитации (как Ньютона, так и Эйнштейна), каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. В отличие от электрических сил, которые бывают как притягивающими, так и отталкивающими, сила гравитации – всегда сила притяжения. Эффект гравитационного притяжения пытается собрать все галактики вместе и сжать Вселенную. На поверхности воздушного шарика роль гравитации играет упругая сила натяжения его поверхности, стремящаяся сжать шарик. Если вы хотите увидеть эффект этого натяжения, просто воткните в шарик булавку…

Если никакая сила не противодействует гравитационному притяжению, галактики будут с ускорением двигаться друг к другу, и вся Вселенная обрушится внутрь себя, как проткнутый булавкой воздушный шарик. Но в 1917 году Вселенная выглядела для наблюдателей статической, неизменной. Астрономы, как и все обычные люди, смотрели на небо и не видели никаких крупномасштабных движений далёких звёзд (кроме небольших случайно направленных собственных движений). Эйнштейн понимал, что статическая Вселенная невозможна, если гравитационные силы являются только силами притяжения. Статическая Вселенная подобна неподвижно парящему над поверхностью земли камню. Если бросить камень вертикально вверх, вы увидите, как он сначала поднимается, а затем падает. Вы можете даже уловить тот момент, когда камень останавливается в верхней точке, меняя направление движения. Но вот что камень не может сделать, так это вечно висеть на фиксированной высоте, если нет никакой другой силы, действующей на камень, кроме силы притяжения Земли. Точно таким же образом статическая Вселенная бросает вызов закону всемирного тяготения.

Эйнштейн оказался перед необходимостью модификации своей теории, которая обеспечила бы компенсирующую силу. В случае воздушного шарика такой силой является давление воздуха, противодействующего изнутри натяжению резиновой оболочки. Но реальная Вселенная не наполнена воздухом. Реальная Вселенная представляет собой только поверхность. Поэтому Эйнштейн предположил, что должна существовать какая-то отталкивающая сила, противодействующая гравитации. Может ли общая теория относительности скрывать в своих уравнениях подобную силу?

Внимательно изучив уравнения теории относительности, Эйнштейн обнаружил в них неоднозначность: уравнения могут быть изменены без нарушения их математической согласованности путём добавления ещё одного члена. Роль этого дополнительного члена весьма неожиданна: он добавляет к обычной силе притяжения, которая ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния, ещё одну силу – силу отталкивания, которая с ростом расстояния увеличивается. Величина новой силы определяется новой физической константой, которую Эйнштейн обозначил греческой буквой λ (лямбда). С тех пор эта константа называется космологической постоянной и по-прежнему обозначается буквой λ.

Внимание Эйнштейна привлекло в особенности то, что если выбрать в качестве λ положительное число, то новый член будет соответствовать силе всемирного отталкивания, увеличивающейся пропорционально расстоянию между телами. Эйнштейн понял, что лямбда-член может играть роль той самой отталкивающей силы, действующей против силы всемирного тяготения, которая способна обеспечить равновесие Вселенной. Равновесия галактик можно добиться соответствующим выбором константы λ. Принцип выбора прост: чем больше расстояние между галактиками, тем меньше должно быть значение λ, чтобы удерживать их в равновесии. Несмотря на то что с математической точки зрения константа может быть любой, физически её очень легко определить, зная среднее расстояние между галактиками. В то самое время, когда Хаббл был занят измерением расстояний между галактиками, Эйнштейн был уверен, что открыл секрет Вселенной. Это был мир, балансирующий на двух силах: притяжения и отталкивания.

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]32
  Сто дюймов для размера телескопа звучит весьма скромно, но это относится только к диаметру зеркала, собирающего свет, а не к общему размеру инструмента. В действительности телескоп обсерватории Маунт-Вильсон был крупнейшим в мире до тех пор, пока в 1949 году не был построен 200-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Паломар.


[Закрыть] 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]33
  Другое название этого члена, особо любимое журналистами, – тёмная энергия.


[Закрыть] 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».