Удивительные числа Вселенной полностью

Именно Гейзенберг первым понял источник нулевой энергии, который возникает из его блестящей трактовки квантовой механики. Он показал, что квантовый осциллятор — небольшое квантовое колебание — никогда не может быть совсем без энергии. Физика фундаментальных частиц — на самом деле физика этих крошечных колебаний. Всякий раз, когда у вас есть настоящие частицы, эти колебания находятся в возбужденном состоянии. Когда вы в вакууме, колебания ослабевают настолько, насколько позволяет принцип неопределенности, и, как показал Гейзенберг, энергия не исчезает.

Но реальна ли физически эта энергия вакуума?

Геккон, бегающий по потолку, сказал бы «да». Предполагается, что его волшебная способность ходить по стенам зависит от изменений энергии вакуума и силы квантового вакуума. Оказывается, энергия вакуума зависит от формы его окружения. Мы знаем, что энергия нулевой точки исходит от ряби виртуальных частиц, которые то появляются, то исчезают. Однако важно, что эта рябь зависит от размера и формы края вакуума. Аналогичный эффект вы наблюдаете для волн на водоеме: они зависят от формы бассейна, озера или даже океана. Если вы измените край вакуума, вы трансформируете и эту виртуальную рябь, а это может изменить энергию нулевой точки. Это означает, что вакуум будет толкать и тянуть окружающие его стены, пытаясь изменить рябь и понизить уровень энергии. В результате возникает так называемая сила Казимира, названная в честь голландского физика Хендрика Казимира — ученика Эренфеста. Когда стенки вакуума далеко друг от друга, эта сила мала, но если они микроскопически близки, то ее можно измерить. (Именно это в 1997 году сделали Стив Ламоро и его группа в Лос-Аламосской национальной лаборатории.) Аналогичным образом изменения энергии нулевой точки могут привести к возникновению так называемых сил Ван-дер-Ваальса между атомами и молекулами. Это возвращает нас к геккону. Некоторые биологи считают, что гекконы для прилипания к потолку используют вандерваальсовы силы — благодаря нулевой энергии, изменяющейся в вакууме между микроскопическими выступами на подошвах их ног.

Такие поддающиеся измерению эффекты дают нам уверенность в том, что теория нулевых энергий верна, но истина состоит в том, что измеряются только локальные изменения — флуктуации нулевой энергии, которые происходят всякий раз, когда мы окружаем кусочек пустого пространства стенкой из атомов и молекул на ноге геккона. Эксперименты, подобные опытам Ламоро в Лос-Аламосе, очень мало говорят нам о скрывающемся чудовище — огромном резервуаре энергии вакуума, лежащей в основе всей Вселенной. Это энергия нулевой точки, которую вы все еще ожидаете найти, когда уберете все стенки и полностью опорожните Вселенную. Как мы видели, этот монстр должен быть огромным. Он должен уничтожить Вселенную.

Космологическая история нулевой энергии началась независимо от ее изучения в квантовой механике. Для начала нам придется вернуться в первые месяцы 1917 года — за восемь лет до того, как Гейзенберг обнаружил ее квантовое происхождение. В тот момент Альберт Эйнштейн все еще оставался ярым противником энергии нулевой точки и не был склонен особо о ней задумываться. Однако он размышлял о гравитации и влиянии его новой замечательной теории на Вселенную в целом.

Он начал с загадки — проблемы бесконечного пространства. Может ли она вообще иметь реальный смысл? Чтобы избежать этой проблемы, Эйнштейн предпочитал представлять Вселенную как огромную сферу, подобную поверхности шара: очень большую, но все же конечную. Уравнения общей теории относительности связывают форму и размер Вселенной с содержащейся в ней материей. Эйнштейн увидел, что в самых больших масштабах внутренняя материя вечно толкает и притягивает его сферическую Вселенную. Покоя никогда не будет. Эйнштейну это совсем не нравилось. Идея Вселенной, эволюционирующей во времени, вызывала у него отвращение. Его интуиция требовала неизменного мира, без начала и конца, но уравнения отказывались подыгрывать. Нужно было что-то исправить.

Эйнштейн заметил, что он может остановить беспокоящую его эволюцию с помощью нового компонента — космологической постоянной, пронизывающей все пространство и время. Ученый вытащил эту космологическую постоянную из своего воображения: он понятия не имел, что эта константа может быть связана с нулевой энергией Вселенной. Но когда Эйнштейн вообразил ее, он устроил все именно так: космологическая постоянная аккуратно уравновешивает материю и кривизну пространства, так что Вселенная остается неподвижной. Это было шаткое перемирие между космическими гигантами на поле битвы пространства-времени. Оно не могло продлиться долго.