Вакуум вокруг нас и во Вселенной



жүктеу 180.3 Kb.
Дата18.07.2016
өлшемі180.3 Kb.
Вакуум вокруг нас и во Вселенной
А.Д. Чернин
Самое главное, что до сих пор известно о вакууме, это то, что из него никаким способом нельзя извлекать энергию. Вакуум -это такое состояние квантовых полей, в котором энергия этих по­лей минимальна. Это ещё не означает, что энергия, заключенная в вакууме, равна нулю.

О вакууме известно также, что его энергия ...бесконечна. Но это мнимая бесконечность, которая не имеет физического смыс­ла. Формальная бесконечность возникает в неправильном мате­матическом расчёте, а правильно вычислять энергию вакуума физики-теоретики пока не умеют. В их расчётах получается, что энергия вакуума бесконечна не только для всей бесконечной Все­ленной (если Вселенная действительно бесконечна); она имеется в бесконечном количестве и в каждом кубическом сантиметре пространства. Причем это не только где-то очень далеко от нас в глубинах Вселенной, а просто везде и всюду, и, в частности, в ком­нате, где находится наш читатель.

Ясно, что это бессмысленная бесконечность, и если бы теоре­тики умели правильно вычислять энергию вакуума, она получи­лась бы у них не бесконечной, а вполне конечной, и скорее всего довольно малой. То есть такой, какой эту вакуумную энергию не­давно обнаружили и измерили астрономы-наблюдатели. Неожи­данным образом вакуум проявил себя в астрономических наблю­дениях своим ... антитяготением.

Что это такое — антитяготение? Все тела природы притяги­ваются друг к другу силой взаимного притяжения. Сила взаим­ного тяготения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния меж­ду ними. Таков всем знакомый закон всемирного тяготения Ньютона. Он действует и на Земле, и в Солнечной системе, и во всей Вселенной, отчего ньютоновское тяготение и называют всемирным.

Что же касается антитяготения, то оно, как выяснилось, тоже существует в природе, но заметно только в больших, космических масштабах. Астрономы обнаружили, что оно заставляет галак­тики и системы галактик удаляться друг от друга с возрастающей скоростью. Это самое крупное открытие в космологии, а возможно, в естествознании вообще, за последние годы. К этому успеху вела нелегкая дорога гипотез, сомнений и поисков.

О вакууме, о его энергии и о создаваемом им антитяготении пойдет далее речь в этой статье.


Краткая история космологии
Космология берёт начало в первые десятилетия XX в. То была особая эпоха в истории науки. Тогда были созданы теория относительности и квантовая механика, составляющие с тех пор фундамент всей физики. Космология начиналась с первых теоретических поисков, которые почти всем казались поначалу со­вершенно абстрактными и произвольными, если не фантастиче­скими. Затем последовали грандиозные наблюдательные от­крытия, и в результате в космологии возникла новая (богатая содержанием и хорошо обоснованная) картина мира как едино­го целого.

История космологии складывается, если говорить совсем ко­ротко, из четырех крупнейших событий. Это открытия, которые и определили лицо науки о Вселенной к началу XXI в.

Первое из трёх важнейших открытий сделано Эдвином Хабб-лом: в 1929 г. он обнаружил разбегание галактик, которое теперь понимают как всеобщее расширение Вселенной. Вскоре после этого, в 1933 г., Фриц Цвикки заметил признаки существования во Вселенной тёмной материи, которую называют ещё и скрыты­ми массами. Третье событие — регистрация реликтового излуче­ния, равномерно заполняющего всё пространство мира; это было сделано в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном (Нобе­левская премия 1986 г.). Наконец, четвертое и самое свежее со­бытие - открытие всемирного антитяготения двумя группами ас­трономов; оно произошло совсем недавно, в 1998-1999 гг.

Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдатель­ных открытий были заранее предсказаны теоретиками. Расшире­ние Вселенной было предсказано Александром Александрови­чем Фридманом в 1922 г. Реликтовое излучение тоже было пред­сказано - это заслуга Георгия Антоновича Гамова (1940-1950-е годы), некогда студента профессора Фридмана в Ленинградском университете. Существование же всемирного антитяготения предвидел Эйнштейн (1917 г). Только темная материя явилась в космологию неожиданно - о её существовании никто заранее не подозревал.

Предсказание Эйнштейна дольше всего ждало своего наблю­дательного подтверждения. И вот это, наконец, произошло. Как и полагается в истории самых важных открытий, оно оказалось сюрпризом почти для всех, а некоторых теоретиков и вовсе застало врасплох. Никто не мог представить себе, что судьбу эйнштей­новской идеи удастся выяснить уже сейчас и притом с такой вы­сокой степенью определенности и надежности.
Гипотеза Эйнштейна
В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности. Двумя годами позднее он сделал попытку применить ее к изуче­нию мира, рассматриваемого как некое единое целое. Новая теория впервые позволила поставить столь дерзкую цель в каче­стве точно формулируемой и притом строго решаемой научной задачи. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную фи­зическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу... отсутствовало. Ньютоновское все­мирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал ещё один силовой фактор - всемирное антитяготение, которое полностью компен­сировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, доэйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из об­щей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Она органично и в исключительно экономной форме была введе­на в структуру общей теории относительности, в её математиче­ские уравнения.

Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, одним чис­лом, которое получило позднее название космологической кон­станты.

Космологическая константа, обозначаемая греческой буквой Л (лямбда), обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без неё теория не допускала бы статич­ности мира.

Последнее понятно: в мире, где безраздельно господствует одно лишь всемирное тяготение, все тела должны "падать", двигаясь под действием взаимного притяжения. Статичнось, по­кой и вечная неизменность в таком случае совершенно невоз­можны.

События в космологии тех лет развивались стремительно. В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относи­тельности - даже при наличии в них космологической констан­ты - допускают не только статические модели, но и модели дина­мические, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Она и подтвердилась в 1929 г. в астрономических на­блюдениях Хаббла.

Как только стало ясно, что во Вселенной никакого покоя на самом деле нет, многие сочли, что идея всемирного антитяготе­ния провалилась, а в космологической константе нет нужды. Так считал и сам Эйнштейн, который однажды в разговоре с Гамо-вым назвал идею космологической константы своим самым до­садным промахом в науке. Против этой идеи были и другие тео­ретики, среди них Л.Д. Ландау и В. Паули. Об умонастроении Ландау в 1950-1960 гг. пишет В.Л. Гинзбург: "Л.Д. Ландау даже слышать не хотел о
λ-члене, но добиться от него объяснения при­чины такой позиции мне не удалось".

И, тем не менее, интерес к гипотезе Эйнштейна не пропадал. Десятилетие за десятилетием, начиная с работ В. де Ситтера и Ж. Леметра, складывалось понимание того, что же в сущности стоит за этой новой константой природы, - если только она не равна нулю. В результате возникло представление, что космоло­гическая константа Эйнштейна описывает некую новую, совсем необычную космическую среду. Эта среда, не известная до того ни в теории, ни в эксперименте, заполняет все пространство мира с всюду и всегда одинаковой плотностью. Она действует на погру­женные в неё космические тела так, что их взаимное притяжение может быть ослаблено или даже полностью устранено - как в космологической модели Эйнштейна. Более того, эта среда способ­на не только скомпенсировать всемирное тяготение, но и переси­лить его, заставить тела не притягиваться друг к другу, а удалять­ся друг от друга. Такая точка зрения была впервые высказана Эрастом Борисовичем Глинером в 1965 г. Сейчас она получила самое широкое распространение.

Антигравитирующую космическую среду мы называем ваку­умом Эйнштейна-Глинера. И, как уже сказано, вакуум - это от­нюдь не пустота. У вакуума есть энергия, и эта энергия обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью - и притом в любой системе отсчёта. Этим вакуум прин­ципиально отличается от всех других форм космической среды, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со време­нем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета.
Открытие антитяготения
В 1998-1999 гг. две группы астрономов-наблюдателей сооб­щили об открытии всемирного антитяготения. В работе участво­вало большое число исследователей (около ста в общей сложно­сти), одной группой руководил Адам Райес, другой - Сол Перлмуттер. Астрономы обнаружили, что в наблюдаемой Вселенной присутствует вакуум, - скорее всего, именно тот вакуум Эйнштейна-Глинера, который математически описывается космоло­гической константой. Оказалось, что по плотности энергии он превосходит все обычные формы космического вещества вместе взятые. Вакуум создает космическое антитяготение, которое не то что компенсирует всемирное тяготение, но определенно пере­силивает его и почти безраздельно управляет динамикой космо­логического расширения в современную эпоху.

Открытие сделано на основании изучения вспышек далеких сверхновых звёзд. Из-за исключительной яркости таких вспы­шек сверхновые звёзды можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Опуская другие детали, скажем, что использовались данные о сверхновых звёз­дах определенного типа (Iа), которые принято считать стандарт­ными свечами; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах (эксперты по сверхновым звёздам продолжают между тем спорить, в каких именно). Это позволяет проследить, как видимая, регистрируе­мая яркость источников зависит от расстояния до них. Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов; но на очень большом удалении источников становят­ся существенными космологические эффекты, и, значит, харак­тер этой зависимости позволяет в принципе узнать нечто новое о всей Вселенной.

Одно плохо со сверхновыми звёздами - этих звёзд очень ма­ло. В среднем на обычную галактику приходится одна вспышка сверхновой звезды за примерно сто лет, да и длится эта вспышка всего несколько месяцев, а то и недель. Поэтому статистика космологических сверхновых звёзд не очень пока богата (около двухсот звёзд к лету 2007 г.).

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результа­тах в 1998 г., располагала данными о всего нескольких сверхно­вых звёздах нужного типа на нужных расстояниях; но уже и это­го было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с расстоянием. Оказалось, что убывание яркости происходит в среднем несколько быстрее, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, кото­рая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расши­рение происходит с ускорением, т.е. когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Уско­рение же может создать только космический вакуум: его антитя­готение стремится удалить тела друг от друга и тем самым подго­няет разлет галактик и скоплений.

Именно благодаря этому эффекту ускорения и удалось распо­знать космический вакуум и даже весьма точно измерить плот­ность его энергии. Оказалось, что плотность энергии вакуума со­ставляет 7 • 10-30 г/см3, если выразить её в единицах плотности массы. (Как известно, масса и энергия связаны между собой зна­менитой формулой Е = mс2; чтобы пересчитать плотность массы на плотность энергии, нужно умножить её на с2.) Эта плотность заметно больше плотности других видов космического вещества и энергии.

Энергия вакуума составляет приблизительно 70% от полной энергии (или массы) Вселенной. При этом на темное вещество приходится 25%, на обычное вещество из протонов, нейтронов и электронов - 4%, а вклад реликтового излучения меньше 1%.

Напомним, что тёмное вещество - это холодный (нерелятиви­стский) газ элементарных частиц, природа которых пока не уста­новлена. Их не удается до сих пор "поймать" и изучить в лабора­тории. Но точно известно, что это не те частицы (протоны, ней­троны, электроны), из которых состоит обычное вещество. Час­тицы темного вещества не имеют электрического заряда, они не излучают света и потому невидимы; они вообще не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Предполагается, что они спо­собны участвовать в слабом взаимодействии (ответственном, на­пример, за бета-распад атомных ядер); они подвержены также взаимному притяжению и подчиняются закону всемирного тяго­тения Ньютона. Тёмного вещества во Вселенной приблизительно в 6 раз больше по массе, чем обычного вещества.

Суммарная плотность вакуума и трех других компонент кос­мической среды точно (или почти точно) равна так называемой критической плотности: это означает, согласно теории Фридма­на, что трехмерное пространство расширяющейся Вселенной яв­ляется плоским, евклидовым (или очень близким к нему). Все эти данные были подтверждены позднее другими астрономическими наблюдениями и сейчас считаются надежно установленными.

Для антитяготеющей среды, после того как она была откры­та, стали придумывать новые названия. Одно из них - тёмная энергия - получила некоторое распространение. Под нею пони­мают, вообще говоря, не вакуум Эйнштейна-Глинера (о свойст­вах которого далее будет говориться подробно), а любую мысли­мую среду, способную создавать антитяготение. И вакуум, и эта гипотетическая среда действительно являются темными в том смысле, что они невидимы, не излучают и не отражают света. В последнее время наблюдательные данные всё более определенно указывают на то, что антитяготеющая среда это именно вакуум Эйнштейна-Глинера (описываемый космологической константой), а не что-либо еще.
Почему "анти"
Почему же вакуум создает не тяготение, а антитяготение? Все дело в том, что вакуум Эйнштейна-Глинера обладает не только определенной плотностью, но также и давлением. Так он с самого начала задан и описан космологической константой. При этом если плотность вакуума положительна, то его давле­ние отрицательно. Отрицательное давление - не вполне обыч­ное явление в физике. При "нормальных условиях" давление в "нормальной" жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отри­цательное давление тоже может возникать. Это требует осо­бых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным.

Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, оно к тому же равно - по абсо­лютной величине - его плотности энергии (напомним, что эти две физические величины имеют одинаковую размерность). Иными словами, давление вакуума есть плотность энергии со знаком ми­нус. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума, и только его. Это, и только это, соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета.

Согласно общей теории относительности, тяготение создает­ся не только плотностью среды, но и её давлением. При этом "эффективная" плотность энергии, создающая тяготение, скла­дывается из суммы двух слагаемых: плотности энергии и трех ве­личин давления. Но при указанной выше связи между давлением и плотностью энергии вакуума такая сумма составляет две вели­чины давления и поэтому оказывается отрицательной. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает "отрицательное" тяготение.

По наблюдательным данным о сверхновых, о которых мы упоминали, плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Поэтому в наблюда­емой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологи­ческое расширение обязано происходить с ускорением.


Ускоренное расширение
В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготе­ние стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга. Если, например, имеются два тела на фоне вакуума, то ва­куум заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Так что если эти тела в какой-то момент покоились друг относи­тельно друга, то в следующий момент они начинают двигаться прочь друг от друга.

При общем космологическом расширении наблюдаемые ско­рости разбегающихся галактик тоже приводят к их удалению друг от друга. Это означает, что действующая на них сила антитя­готения направлена вдоль их скорости, и потому она помогает галактикам разбегаться, все время увеличивая их относительную скорость.

Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с уско­рением, оно будет продолжаться неограниченно долго - ничто уже не способно этому помешать. Действительно, средняя плот­ность вещества и излучения будет при расширении только убы­вать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не станет преобладать во Вселенной. Динамическое домини­рование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галак­тик будет происходить все быстрее и быстрее.

Обратимся теперь не к будущему, а к прошлому Вселенной. Вакуум доминировал в мире не всегда. Его плотность не меняет­ся со временем, тогда как плотность тёмного вещества падает при расширении мира и, значит, растёт назад в прошлое. Всё это оз­начает, что антитяготение вакуума было несущественно в доста­точно отдаленном прошлом. В ранней Вселенной господствовало всемирное тяготение не-вакуумных компонент космической сре­ды. Оно замедляло космологическое расширение. А эпоха анти­тяготения и ускоренного расширения наступила только при воз­расте мира в 6-8 млрд лет. Это приблизительно половина от сов­ременного возраста Вселенной, который составляет около 14 млрд лет.

Но если в ранней истории Вселенной космологическое рас­ширение происходило с торможением, точные измерения ускоре­ния по сверхновым звёздам должны прямо на это указать, если только удастся найти сверхновые звёзды, находящиеся от нас на расстоянии в 6-8 млрд и более световых лет. Замечательно, что такие примеры очень далеких сверхновых звёзд в самое послед­нее время были найдены, и они определенно подтверждают, что в далеком прошлом расширение действительно происходило не с ускорением, а с замедлением. Вместе с тем эти примеры служат, очевидно, веским дополнительным аргументом в пользу всей но­вой картины эволюции Вселенной, которая возникла благодаря открытию космического вакуума.
Три массы вакуума
Как известно, пространство вместе со временем образуют единое многообразие, четырехмерное пространство-время, в ко­тором три координаты относятся к собственно пространству, а четвертая координата есть время. Именно так описывает мир теория относительности. Согласно этой теории, геометрия четы­рехмерного пространства-времени определяется распределением и движением вещества. Вещество распределено в пространстве и движется во времени. Связь между веществом и пространст­вом-временем осуществляет тяготение вещества. Связь эта вза­имная: не только вещество влияет на геометрию пространст­ва-времени, но и пространство-время способно влиять на распределение и движение вещества в нем.

Но вакуум, и только он один, способен влиять, но не испыты­вать на себе обратного влияния. Действительно, тот факт, что плотность и давление вакуума неизменны, означает, что на ваку­ум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространст­ва-времени. И даже полностью их определяет, когда его плот­ность превышает суммарную плотность всех остальных видов ко­смической энергии. А сам не испытывает ни обратного влияния всего вещества мира, ни обратного влияния геометрии мира, ни своего собственного антитяготения. Он оказывает действие, но не испытывает противодействия. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию, -вопреки третьему закону Ньютона. Причина такой "неподатли­вости" вакуума состоит в том, что у него нет инертной массы; вер­нее, она равна нулю. Инертная масса - это понятие из второго за­кона Ньютона, который гласит, что сила, действующая на тело, равна произведению ускорения на массу тела.

Здесь имеется в виду именно инертная масса. Для всех обыч­ных тел она отлична от нуля. Инертная масса единицы объёма те­ла равна - по общему определению - сумме плотности энергии тела и давления в нём, делённой на квадрат скорости света. Но как мы помним, давление вакуума есть его плотность энергии со знаком минус. Из этого вытекает, что сумма, дающая инерт­ную массу, обращается для вакуума в нуль. Но тогда выходит, что любая сила, приложенная к вакууму, тоже равна нулю.

В физике известен и еще один род массы - это пассивная гра­витационная масса. Она фигурирует в законе тяготения Ньютона. Это масса, которая "чувствует" поле тяготения, создаваемое все­ми остальными телами. Ещё Галилею было известно, что пассив­ная гравитационная масса всегда равна инертной массе. Именно поэтому все тела движутся с одинаковым ускорением в поле тяго­тения Земли. Равенство этих двух масс составляет содержание универсального принципа эквивалентности, который действует в механике Ньютона и полностью сохраняет свою силу в общей теории относительности. Применительно к вакууму эквивалент­ность означает, что его пассивная гравитационная масса равна нулю, как и его инертная масса. Поэтому вакуум - и только он один - не "замечает" никаких полей тяготения, ни чужих, ни сво­его собственного.

Мы уже упоминали выше об эффективной гравитирующей плотности. Ей отвечает масса третьего рода, которая называется активной гравитационной массой, т.е. массой, не чувствующей, а создающей тяготение. Эффективная плотность - это активная масса, приходящаяся на единицу объема. Как мы знаем, для вакуума эффективная плотность отрицательна. Значит, и активная гравитирующая масса вакуума отлична от нуля и отрицательна. Для обычных тел вокруг нас все три рода массы одинаковы и не­различимы, так что можно говорить просто о массе тела во всех трех случаях.
Мир антитяготения
Что же происходит с пространством-временем мира, когда в нём начинает доминировать вакуум? Если пренебречь влиянием всего не-вакуумного вещества, то только вакуум и будет опреде­лять тогда свойства пространства-времени. Как мы знаем, плот­ность и давление вакуума не меняются со временем. С вакуумом вообще ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же. Но раз неизменный вакуум, и только он, определяет свойства пространства-времени, то и само пространство-время всюду и всегда должно быть одним и тем же. Это означает, что мир, в ко­тором безраздельно господствует вакуум, должен быть неизмен­ным во времени, статичным. В полном соответствии с этим рассу­ждением космологическая теория Фридмана (а в ней с самого на­чала учитывалась возможность существования вакуума, предста­вляемого космологической константой) описывает мир вакуума как мир статичный и неизменный. Но каким образом происходит это превращение мира подвижного и расширяющегося в мир не­подвижный? Как из мира исчезает эволюция? Ведь разбегание га­лактик в нём продолжается... Да, галактики удаляются друг от друга в мире вакуума и притом со всё возрастающими скоростя­ми. Но чем быстрее они разбегаются, тем меньше плотность их общего распределения, и, значит, тем слабее их влияние - через их собственное тяготение - на свойства пространства-времени. А влияние вакуума - через его антитяготение - становится тем временем всё более и более сильным. В итоге галактики, да и во­обще всё не-вакуумное вещество, оказываются в мире, свойства которого как целого определяются не ими, а вакуумом. Так эво­люция мира в целом затухает, его пространственно-временной каркас застывает и остается "замороженным" навсегда. Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расшире­ние под воздействием антитяготеющего вакуума, тем ближе наш четырехмерный мир к абсолютной статике, неизменности и пол­ному покою.

В таком мире все события, т.е. четырехмерные точки, нераз­личимы, а это означает, что в нём нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоми­нает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштей­на покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяго­тения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет: антитяго­тение вакуума ничем не уравновешено и, тем не менее, этот мир тоже находится в покое.

Оказывается, что покой не обязательно предполагает равно­весие сил - если речь идёт о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным - в отсутствие дру­гих сил.

О свойствах вакуума Эйнштейна-Глинера, о всемирном анти­тяготении можно было бы и еще немало рассказать. Но пора, ка­жется, задать главный вопрос:

Что же такое вакуум Эйнштейна-Глинера с точки зрения фундаментальной физики? Из чего он состоит? Какова его мик­роскопическая структура? Приходится сразу признать: об этом ничего достоверно пока не известно. Распространенная точка зрения такова, что хотя этот новоявленный вакуум и называют космическим, это тот же вакуум, что и в атомной физике и мик­рофизике, где он давно известен. В физическом вакууме разыгрываются взаимодействия элементарных частиц. Физический ва­куум представляет собой (как уже сказано) наинизшее энергети­ческое состояние квантовых полей; он непосредственно проявля­ется экспериментально. В экспериментах его присутствие несомненно; но при этом плотность энергии вакуума ускользает от из­мерения. Последнее далеко не случайно. Принципиальное обсто­ятельство состоит в том, что во всех - кроме тяготения - физиче­ских взаимодействиях проявляется только разность энергий фи­зической системы в различные моменты времени и/или в различ­ных точках пространства, но не вся величина энергии в данном состоянии физической системы. Лишь тяготение (гравитация -его синоним) реагирует на саму энергию целиком, всю её, а не на её разности.

Но если не учитывается гравитация, то и само понятие энергии оказывается в теории неполным. Дело в том, что без гравитации уровень, от которого отсчитывается энергия, остается произволь­ным. Но это ничему не мешает. Что принять за нулевой уровень энергии? Да что хотите, если у вас не рассматривается тяготение. При этом результат расчета любых измеряемых физических вели­чин не должен зависеть от принятой калибровки энергии.

Так и обстоят дела в электродинамике и физике ядерных вза­имодействий (сильного взаимодействия и слабого). Это относится также и к вычислению энергии вакуума. То обстоятельство, что при расчётах вакуума в квантовых полях его плотность энергии формально оказывается бесконечной, никого не пугает - эту бес­конечность можно приравнять нулю, т.е. выбрать её за уровень, от которого отсчитывается энергия.

Но когда на сцену выходит тяготение, неполнота теории не­медленно обнаруживается. Гравитация чувствует всю энергию, как мы сказали. Поэтому нулевой уровень энергии оказывается в этом случае не условным, а безусловным и абсолютным. От него и нужно отсчитывать все энергии, и в том числе энергию физиче­ского вакуума. Однако теория не говорит нам, как это следует сделать. Фундаментальная теория не смогла предсказать значе­ние плотности космического вакуума. Даже сейчас, когда величи­на плотности уже измерена астрономами, теория не в состоянии вычислить её значение "из первых принципов". Это не случайное обстоятельство, причина кроется в нынешнем состоянии фунда­ментальной физики.



За фундаментальной физикой значатся грандиозные успехи. Но чтобы справиться с проблемой вакуума, требуется такая тео­рия, которая объединила бы квантовые законы с законами тяго­тения. Тогда полная энергия вакуума квантовых полей (а не толь­ко ее разности) приобрела бы точный физический смысл, а пото­му и ее плотность поддалась бы вычислению. Но такой теории сейчас нет; лишь отдельные её ростки пробиваются на той почве, где квантовая теория соприкасается с космологией, с физикой гравитационных волн и физикой чёрных дыр. Прошло почти сто лет со времени создания квантовой механики и общей теории от­носительности, а синтез этих теорий - мечта Эйнштейна и теоре­тиков многих поколений - остается пока делом не слишком опре­деленного будущего. Возможно, это самая острая задача физики и космологии на XXI век.


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет