Удивительные числа Вселенной полностью

Квантовую теорию поля — микроскопическое описание частиц и полей — часто называют самой точной теорией в истории человечества, и не без оснований. Некоторые из ее предсказаний (например, так называемый аномальный магнитный момент электрона) были проверены и подтверждены с точностью до одной триллионной. Но, скажем, истинное значение плотности энергии вакуума составляет 10^–120 от той величины, которую предсказывает эта замечательная теория. Если бы вы записали 10^–120 как десятичную дробь, она выглядела бы примерно так:

Как мы знаем, такое расхождение между ожиданием и реальностью не может появиться в природе без очень веской причины. Так почему же оно появилось? Наша великолепная лучшая теория предсказывает вакуум, каждый литр которого наполнен гуголом гигаджоулей энергии, а природа говорит нам, что там едва ли наберется пикоджоуль. Это самый неточный прогноз во всей физике. Конечно, мы должны быть благодарными такой ситуации. Если бы наши прогнозы оказались верными, Вселенная была бы согнута и сломана гравитацией, превратившись в космического карлика, имеющего ничтожную протяженность в пространстве и времени и не способного поддерживать звезды и планеты, которые необходимы для существования разумной жизни. Однако наши прогнозы не оправдываются. Нам посчастливилось жить в огромной и старой Вселенной, где энергия вакуума составляет 10^–120 от ожидаемой, где есть крошечное число, которое мы просто не понимаем.

Это самое смущающее число в фундаментальной физике, впечатляющее несоответствие между современными расчетами и реальностью, которую мы видим вокруг себя. Общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля — лучше всего проверенные теории XX века, и все же, когда мы складываем их вместе, мы сталкиваемся с напастью — неприятностью, которую называют проблемой космологической постоянной.

История космологической постоянной начинается с Планка и Nullpunktsenergie. Это название вызывает образ какой-нибудь немецкой рок-группы, игравшей грохочущую музыку в подвале в середине 1980-х. Однако это слово не имеет ничего общего с потом, длинными волосами и электрогитарами. Это энергия нулевой точки, впервые введенная Планком во второй его квантовой теории, которая была создана в годы, предшествовавшие Первой мировой войне. С его первой попыткой мы познакомились в главе «Гуголплекс». Тогда Планк спас нас от ультрафиолетовой катастрофы, разделив энергию на порции. Идея прекрасно сработала (и она была верной), но Планка это не заботило. Ученый никогда не чувствовал себя комфортно с идеей порционности и как-то заметил, что если бы мог отказаться от нее, то сделал бы это. В итоге он сумел отказаться наполовину. При второй попытке создать квантовую теорию Планк заявил, что излучение по-прежнему должно испускаться порциями, но не обязательно таким же образом поглощаться. Предложенное отсутствие симметрии сейчас кажется нам уродливым, но на заре квантовой теории оно казалось несколько менее радикальным, чуть более консервативным. Однако за него пришлось заплатить свою цену. Чтобы заставить работать свою альтернативную квантовую теорию, Планку понадобилась некоторая остаточная энергия даже в нулевой точке, когда вы охладили все до абсолютного нуля. Ему потребовалась Nullpunktsenergie.

Вторая квантовая теория Планка никогда не затмит первую по той причине, что она неверна. Тем не менее идея нулевой энергии привлекла внимание Эйнштейна и его коллеги Отто Штерна. Примерно в то же время немецкий химик Арнольд Эйкен получил определенные данные об удельной теплоемкости молекул водорода. Детали не имеют значения. Главное, Эйнштейн и Штерн показали, что энергия нулевой точки может помочь понять эти данные. Однако симпатии Эйнштейна длились недолго. Через несколько лет он стал яростно противиться самой идее нулевой энергии. «Ни один теоретик, — фыркал он, — не может… произносить слова “энергия нулевой точки”, не расплываясь в полусмущенной, полуиронической улыбке». Отношение Эйнштейна изменил неуравновешенный австрийский физик Пауль Эренфест.