Энергия нулевой точки, или нулевая энергия — это минимально возможная энергия, которой может обладать квантовомеханическая система. В отличие от классической механики, квантовые системы постоянно колеблются вокруг состояния наименьшей энергии — об этом говорит принцип неопределённости Гейзенберга. Поэтому даже при абсолютном нуле атомы и молекулы сохраняют некоторое колебательное движение. Кроме атомов и молекул, этими свойствами обладает и пустое пространство — вакуум. Согласно квантовой теории поля, Вселенную можно представить не как набор изолированных частиц, а как непрерывные колеблющиеся поля: поля материи, квантами которой служат фермионы (т. е. лептоны и кварки), и поля сил, квантами которых являются бозоны (например, фотоны и глюоны). Все эти поля обладают энергией нулевой точки. С какой-то точки зрения можно сказать, что все эти колеблющиеся поля напоминают нам старую теорию об эфире — некоторые системы позволяют обнаружить эту энергию.
Понятие энергии нулевой точки важно и для космологии, и в настоящее время в физике отсутствует полная теоретическая модель для понимания энергии нулевой точки в этом контексте. В частности, источником серьёзных разногласий служит расхождение между теоретической и наблюдаемой энергией вакуума. Физики Ричард Фейнман и Джон Уилер рассчитали, что излучение нулевой точки вакуума на порядок превышает ядерную энергию, а энергии одной лампочки будет достаточно для того, чтобы вскипятить весь Мировой океан. Однако, согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая подобная энергия должна оказывать гравитационный эффект, а экспериментальные данные о расширении Вселенной, тёмной энергии и эффекте Казимира показывают, что эта энергия исключительно слабая.
Популярное предложение, пытающееся решить эту проблему, состоит в том, что поле фермионов обладает отрицательной энергией нулевой точки, а поле бозонов — положительной энергией нулевой точки, и таким образом эти энергии каким-то образом аннулируют друг друга. Эта идея была бы верна, если бы суперсимметрия была точной симметрией природы, однако БАК в ЦЕРНе пока не нашёл никаких доказательств в пользу этого. Более того, известно, что если суперсимметрия вообще есть, то она нарушается в обычных условиях, и работает только при очень высоких энергиях. Никто пока ещё не смог представить теорию, в которой аннулирование нулевых точек происходит в привычной нам низкоэнергетической Вселенной. Это несоответствие известно как проблема космологической постоянной и является одной из самых больших неразгаданных тайн в физике. Многие физики считают, что «вакуум содержит ключ к полному пониманию природы».
Долгое время считалось очевидным, что Вселенная состоит только из материи и излучения. Мы наблюдаем их в огромных количествах везде и во все времена на протяжении нашей космической истории. Примерно за ~100 лет мы поняли, что в соответствии с общей теорией относительности наша Вселенная расширяется, и то, как она расширяется, определяется всеми формами материи и излучения, входящими в её состав. С тех пор как мы поняли это, мы стремились измерить скорость расширения Вселенной и то, как это расширение изменялось в течение нашей космической истории, поскольку знание того и другого определяло бы содержание нашей Вселенной.
В 1990-х годах наблюдения наконец-то стали достаточно хорошими, чтобы дать ответ: да, Вселенная содержит материю и излучение, поскольку сегодня около 30% Вселенной состоит из материи (обычной и тёмной, вместе взятых) и около ~0,01% — из излучения. Но, что удивительно, около 70% Вселенной не является ни тем, ни другим, а скорее представляет собой форму энергии, которая ведёт себя так, как будто она присуща самому пространству: это т. н. «тёмная энергия». Ведёт она себя так, как ожидаем от космологической постоянной (в общей теории относительности) или энергии нулевой точки пространства (в квантовой теории поля). Но с теоретической точки зрения всё оказывается не так гладко.
С квантовой точки зрения мы представляем себе нашу Вселенную так: в ткани пространства-времени существуют реальные частицы (кванты), которые взаимодействуют друг с другом посредством обмена (виртуальными) частицами. Мы строим диаграммы, представляющие все возможные взаимодействия между частицами (диаграммы Фейнмана) и затем рассчитываем, какой вклад вносит каждая такая диаграмма в общее взаимодействие между несколькими рассматриваемыми квантами. Суммируя диаграммы в порядке возрастания их сложности (древовидные диаграммы, однопетлевые диаграммы, двухпетлевые диаграммы и т. д.) мы приходим ко всё более близким приближениям к нашей реальной физической действительности.
Но есть и другие диаграммы, которые мы можем вывести: диаграммы, которые не соответствуют приходящим и уходящим частицам, а представляют собой «флуктуации поля», возникающие в самом пустом пространстве. Как и в случае реальных частиц, мы можем записывать и вычислять диаграммы всё большей сложности, а затем суммировать полученные данные, чтобы приближённо определить реальное значение энергии нулевой точки: или энергии, присущей самому пустому пространству.
Конечно, в уравнениях существует бесконечное число членов, но независимо от того, вычисляем ли мы только первый член, парочку или несколько первых членов, мы обнаруживаем, что все они дают чрезвычайно большой вклад: вклад, который более чем на 120 порядков превышает величину, не соответствующую наблюдаемой Вселенной. То есть превышает её в более чем 10120 раз.
В общем случае, когда у вас есть два больших числа и вы считаете их разницу, вы получаете ещё одно большое число. Например, представьте себе состояние двух случайных людей из одного из мировых списков «миллиардеров» — человека А и человека Б. Возможно, человек А «стоит» $3,8 млрд, а человек Б — $1,6 млрд, и поэтому разница между ними составит ~$2,2 млрд (действительно большое число). Можно представить себе сценарий, в котором два случайно выбранных человека стоят почти одинаково, но такие случаи обычно происходят при наличии между ними какой-то связи: например, они являются соучредителями одной и той же компании или однояйцевыми близнецами.
В общем случае, если у вас есть два больших числа, «A» и «B», то разность между ними, |A — B|, также будет большой. Только если есть какая-то причина — например, скрытая симметрия, или скрытая связь между ними, или какой-то механизм, который отвечает за то, что эти два числа почти идеально совпадают, то разница между этими числами, |A — B|, окажется очень малой по сравнению с самими «A» и «B».
Альтернативное объяснение состоит в том, что эти два числа действительно очень близки друг к другу, но совершенно случайно. И чем ближе эти два значения друг к другу, тем меньше вероятность такого совпадения.
Когда мы пытаемся рассчитать с помощью квантовой теории поля ожидаемое значение энергии нулевой точки пустого пространства, отдельные члены, которые вносят свой вклад, имеют значения, пропорциональные комбинации фундаментальных констант — √(ℏc/G), возведённой в четвёртую степень. Эта комбинация констант известна также как масса Планка и имеет значение, эквивалентное ~1028 эВ (электрон-вольт) энергии, если вспомнить, что E = mc². Если возвести это значение в четвёртую степень и представить его в терминах энергии, то получится значение 10112 эВ4, причём оно будет распределено по некоторой области пространства.
Мы измеряем плотность тёмной энергии в нашей Вселенной: делаем вывод о том, какое значение она должна иметь, чтобы придать Вселенной наблюдаемые свойства расширения. Уравнения, которые мы используем для описания расширяющейся Вселенной, позволяют перевести значение энергии, полученное выше, в плотность энергии (количество энергии в определённом объёме пространства), которую мы можем сравнить с реальным, наблюдаемым значением тёмной энергии. Вместо 10112 эВ4 мы получаем значение, больше похожее на 10-10 или 10-11 эВ4, что и даёт упомянутое ранее расхождение более чем на 120 порядков.
Уже много десятилетий учёные отмечают эту особенность Вселенной: предсказанное нами значение энергии нулевой точки пространства не соответствует действительности. Если бы оно было верным, то расширяющаяся Вселенная либо реколлапсировала бы, либо превратилась в пустое небытие очень рано: ещё до нарушения электрослабой симметрии и получения частицами ненулевой массы покоя, а тем более до образования атомов, ядер и даже протонов и нейтронов. Мы знали, что «предсказание» должно быть ошибочным, но по какой из возможных причин?
Может быть, сумма всех этих членов, даже если они по отдельности велики, каким-то образом в точности взаимно уничтожается, и поэтому реальное значение энергии нулевой точки пространства действительно равно нулю.
Вероятно, действительное значение нулевой энергии пространства принимает все возможные значения случайным образом, и только в тех местах, где её значение допускает наше существование, мы можем возникнуть, чтобы наблюдать её.
Или же это значение вычислить всё-таки можно, и если бы нам удалось сделать это правильно, то мы обнаружили бы почти точное, но только приблизительное взаимное уничтожение всех членов уравнения. Тогда реальное значение энергии нулевой точки будет маленьким, но ненулевым.
Из этих вариантов первый является лишь догадкой, которая не может объяснить реальное наличие тёмной энергии во Вселенной, а второй, по сути, отказывается от научного подхода к вопросу. Независимо от ответа, нам предстоит решить задачу, как вычислить реальную нулевую энергию пустого пространства.
Физик может представить себе, что каким-то чудесным образом взаимно аннулируется большинство возможных вкладов в нулевую энергию, но несколько вкладов остаются. Возможно, аннулируются вклады всех кварков и антикварков. Возможно, вклады всех заряженных лептонов (электрона, мюона и тау) аннулируются их партнёрами-античастицами, и, возможно, только оставшиеся, «не аннулированные» вклады действительно объясняют тёмную энергию, существующую во Вселенной.
Если представить, что происходит некое частичное аннулирование, то что должно остаться, чтобы объяснить то (относительно небольшое) количество тёмной энергии, которое присутствует во Вселенной?
Ответ неожиданный: что-то, что соответствует энергетической шкале всего лишь в доли электрон-вольт, или где-то между 0,001 и 0,01 эВ. Какие же частицы обладают массой покоя, эквивалентной именно этому значению энергии? Хотите верьте, хотите нет, но такие частицы есть в Стандартной модели: это нейтрино.
Согласно первоначальной формулировке Стандартной модели, все кварки, заряженные лептоны, W- и Z-бозоны и бозон Хиггса должны быть массивными. Остальные частицы (нейтрино и антинейтрино, фотон и глюоны) должны были быть безмассовыми. После горячего Большого взрыва, помимо обычных частиц материи (протонов, нейтронов и электронов) образуется огромное количество нейтрино, антинейтрино и фотонов: примерно по ~1 млрд на каждый сохранившийся протон.
На самом деле, как выяснилось в 1960-х годах, а затем было уточнено в 1990-х и начале 2000-х годов, нейтрино вовсе не безмассовые. Скорее, вид нейтрино или антинейтрино (электрон, мюон или тау), который образуется первоначально, не всегда оказывается тем же видом нейтрино, который можно наблюдать в дальнейшем. Проходя через вакуум пространства или через вещество, нейтрино с ненулевой вероятностью могут изменить свой «аромат», что может произойти только в том случае, если они обладают массой. В противном случае, будучи безмассовыми частицами, они не «ощущали» бы времени, а значит, не имели бы периода колебаний. Тот факт, что нейтрино обладают массой, обязательно означает, что у них есть какое-то свойство, которое не учитывается в первоначальной формулировке Стандартной модели.
Поскольку мы не знаем, что именно придаёт нейтрино ненулевую массу покоя, нельзя вот так сразу исключить сценарий, связывающий их массу с «энергетическими масштабами» наблюдаемой тёмной энергии, которая проявляет себя во Вселенной. Многие предложили правдоподобные механизмы такой связи, но никто ещё не решил трудную задачку: «Как вычислить энергию нулевой точки пространства, используя квантовую теорию поля и квантовые поля, которые, как мы знаем, существуют в нашей Вселенной?» Мы можем измерить фактическую величину тёмной энергии, но что касается понимания теоретической стороны уравнения, то мы можем только констатировать, что пока у нас этого понимания просто нет.
Ещё один аспект истории, который необходимо упомянуть, — это тот факт, что до начала горячего Большого взрыва наша Вселенная пережила отдельный, более ранний период, когда Вселенная расширялась, как если бы мы имели положительное, конечное значение нулевой энергии пространства: космологическую инфляцию. Во время инфляции энергия была значительно больше, чем сегодня, но всё же не так велика, как ожидаемые значения энергии в планковском диапазоне. Вместо этого шкала энергии во время инфляции находится где-то ниже ~1025 эВ и потенциально могла быть даже ниже ~1014 эВ: намного больше, чем сегодняшнее значение, но всё же намного меньше, чем ожидаемое нами значение.
Кроме того, поскольку во Вселенной должна существовать ещё и какая-то тёмная материя – а это, скорее всего, частица, не входящая в Стандартную модель, — многие задаются вопросом, не может ли существовать какая-то связь между частицей, отвечающей за тёмную материю, и шкалой энергии, отвечающей за тёмную энергию. Обычно считают, что у одной из частиц-кандидатов на тёмную материю — аксиона – должна быть очень низкая масса, меньше ~1 эВ, но больше ~0,00001 эВ (микроэлектрон-вольт), что как раз и позволяет предположить её связь с тёмной энергией.
Однако остаётся нерешённой сложная проблема: как узнать или рассчитать, какова на самом деле энергия нулевой точки пустого пространства в соответствии с нашими теориями поля?
Мы должны научиться делать эти расчёты, иначе у нас не будет хорошего теоретического понимания того, что является или не является причиной появления тёмной энергии. А дело в том, что мы не знаем, как это сделать; мы можем только предположить, что всё аннулирует друг друга, за исключением некоторой небольшой части. Даже если мы это сделаем, нам ещё предстоит выяснить, почему «шкала массы/энергии» тёмной энергии принимает только такое низкое, но ненулевое значение. Это должно заставить нас задуматься: а правильно ли мы вообще смотрим на проблему?
Однако есть множество причин для надежды: с наблюдательной точки зрения мы добились огромного прогресса. 20 лет назад мы считали, что тёмная энергия ведёт себя как энергия нулевой точки пустого пространства, но наши неопределённости в этом вопросе составляли около ~50%. К 15 годам неопределённости снизились до ~25%. Сейчас они составляют около ~7%, а с учётом предстоящих миссий, таких как «Евклид», наземная обсерватория Веры Рубин и инфракрасная обсерватория Nancy Grace Roman Space Telescope, который должен стать нашей следующей флагманской миссией после запуска Уэбба, мы сможем оценить ограничения на уравнение состояния тёмной энергии с точностью до ~1%.
Кроме того, мы сможем измерить, изменялась ли плотность тёмной энергии с течением времени или оставалась постоянной на протяжении последних ~8 с лишним миллиардов лет. Исходя из имеющихся на сегодняшний день данных, можно предположить, что тёмная энергия ведёт себя как постоянная величина: во все времена и во всех местах, и что она вполне соответствует нулевой энергии пустого пространства. Однако если тёмная энергия ведёт себя как-то иначе, то следующее поколение обсерваторий должно выявить и это, что отразится на наших представлениях о судьбе нашей Вселенной. Даже если теория не прокладывает путь к следующему великому открытию, у новых экспериментов и наблюдений всегда есть шанс представить нам Вселенную такой, какой мы её ещё не видели.
Автор: Валерий Исаковский
