[Перевод] Почему крошечный вес пустого пространства – такая большая загадка

Количество энергии, содержащейся в пустом пространстве, оказывается, очень сложно объяснить, не привлекая теорию мультивселенной. Но у физиков осталась, по меньшей мере, ещё одна альтернатива для изучения.

Противоречивая идея о том, что наша Вселенная – всего лишь случайный пузырик в бесконечной пенящейся Вселенной, логически вытекает из наиболее, на первый взгляд, невинной особенности природы: пустого пространства. Конкретно, гипотеза мультивселенной растёт из невероятно крохотного количества энергии, содержащегося в пустом пространстве – известной, как вакуумная энергия, тёмная энергия или космологическая константа. В каждом кубическом метре пустого пространства содержится такое количество энергии, которого хватит, чтобы зажечь электрическую лампочку всего на 11 триллионных долей секунды. «Это как кость в горле» – так однажды описал нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проблему, из-за которой в вакууме должно быть, по меньшей мере, в триллион триллионов триллионов триллионов триллионов раз больше энергии из-за присутствия в нём всех полей, связанных с материей и взаимодействиями. Но каким-то образом все воздействия этих полей почти полностью взаимно уничтожаются, и получается безмятежный покой. Почему пустое пространство такое пустое?

Хотя мы не знаем ответа на этот вопрос – печально знаменитую «проблему космологической постоянной» – крайняя степень пустоты нашего вакуума кажется необходимой для нашего существования. Во вселенной, чуть более заполненной гравитационно отталкивающей энергией, пространство расширялось бы слишком быстро для того, чтобы могли сформироваться такие структуры, как галактики или планеты. Такая тонко настроенная система говорит о том, что вселенных может быть множество, и в каждой из них может быть своё количество энергии вакуума, а мы обитаем во вселенной с чрезвычайно низким показателем, потому что не могли бы появиться в какой-то другой.

Некоторые учёные морщатся из-за тавтологии «антропного принципа» и недолюбливают теорию мультивселенной за непроверяемость. Даже те, кто не против этой теории, хотели бы иметь альтернативные решения для проблемы космологической постоянной. Но пока её практически невозможно решить без мультивселенной. «Проблема тёмной энергии настолько трудная и неудобная, что люди не нашли для неё одного-двух решений», — сказал Раман Сандрам, физик-теоретик из Мэрилендского университета.

Чтобы понять, почему так происходит, рассмотрим, что же собой представляет энергия вакуума. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что материя и энергия говорят пространству-времени, как искривляться, а кривизна пространства-времени говорит материи и энергии, как двигаться. Из уравнений автоматически вытекает способность пространства-времени обладать собственной энергией – постоянным количеством, остающимся, когда там уже больше ничего нет, которое Эйнштейн назвал космологической постоянной. Десятилетиями космологи предполагали, что её значение равно нулю, учитывая достаточно постоянную скорость расширения Вселенной, и думали, почему так получилось. Но в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение космоса на самом деле постепенно ускоряется, из чего следует наличие отталкивающей энергии, пронизывающей всё пространство.

Однако предполагаемая плотность этой энергии вакуума противоречит тому, что говорит о пустом пространстве квантовая теория поля. Квантовое поле считается пустым, когда через него не движутся частицы, представляющие собой возбуждения поля. Но из-за принципа неопределённости, состояние квантового поля никогда не является точно известным, поэтому энергия не может точно равняться нулю. Представьте, что квантовое поле состоит из маленьких пружинок, расположенных в каждой точке пространства. Пружинки постоянно колеблются, поскольку всегда растянуты на какое-то неопределённое расстояние от наиболее расслабленного состояния. Они всегда либо немного сжаты, либо немного растянуты, и поэтому всегда двигаются, а значит, обладают энергией. Это называется нулевой энергией поля. У полей взаимодействий нулевая энергия положительная, а у полей материи – отрицательная, и эти энергии участвуют в общей энергии вакуума.

Общая энергия вакуума должна быть примерно равной сумме крупнейших вкладов. Однако наблюдаемая скорость космического расширения говорит о том, что это значение на 60-120 порядков меньше некоторых вкладов нулевой энергии полей, как если бы все разные положительные и отрицательные члены взаимно уничтожали бы друг друга. Но придумать физический механизм этого выравнивания чрезвычайно трудно, по двум причинам.

Во-первых, энергия вакуума действует только гравитационно, поэтому, чтобы её уменьшить, необходим гравитационный механизм. Но в первые моменты жизни Вселенной, когда такой механизм мог работать, она была настолько маленькой, что вся её вакуумная энергия была пренебрежимо малой по сравнению с количеством материи и излучения. Гравитационные эффекты энергии вакуума померкли бы перед гравитацией всего остального. «Это одна из величайших трудностей решения проблемы космологической постоянной», — писал физик Рафаэль Буссо в 2007. Гравитационный механизм обратной связи, точно подстраивающий вакуумную энергию в условиях ранней Вселенной, писал он, «можно грубо сравнить с самолётом, летящим в шторм по курсу с точностью до атомных размеров».

Усложняет ситуацию то, что подсчёты квантовой теории поля показывают, что энергия вакуума поменяла бы значение в результате фазовых изменений охлаждающейся Вселенной вскоре после Большого взрыва. В результате встаёт вопрос, сработал ли этот гипотетический механизм, выровнявший энергию вакуума, до или после этих изменений. И как механизм мог знать, насколько большими будут эти эффекты, чтобы так точно их компенсировать?

Пока что, эти препятствия мешают попыткам объяснить крохотный вес пустого пространства, не опускаясь до лотереи мультивселенных. Но недавно некоторые исследователи перешли к изучению одного альтернативного варианта: если Вселенная не появилась из ничего, а отскочила, претерпев предшествующее сжатие, тогда сжимавшаяся Вселенная в далёком прошлом должна была быть огромной, и в ней должна была доминировать энергия вакуума. Возможно, именно тогда некий гравитационный механизм мог бы воздействовать на изобилие энергии вакуума, и каким-то образом естественно рассеивать её со временем. Эта идея вдохновила физиков Питера Грэхема, Дэвида Каплана и Саржита Раджендрана [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran] на создание новой модели космического отскока, хотя им пока только предстоит показать, каким именно образом должно было работать вакуумное рассеивание в сжимающейся вселенной.

В ответе на письмо Буссо назвал этот подход «чрезвычайно достойной попыткой», и «хорошо информированной и честной борьбой с серьёзной проблемой». Но добавил, что в модели остаются крупные проблемы, и «технические препятствия, которые надо преодолеть, чтобы заполнить этих дыры и заставить идею работать, кажутся довольно серьёзными. Вся эта конструкция уже напоминает машину Голдберга, и, в лучшем случае, станет ещё более запутанной в будущем, когда дыры будут заполнены». Он и другие сторонники мультивселенной, считают, что их вариант ответа по сравнению с этим выглядит более простым.