Катастрофа энергии вакуума
Человек склонен ошибаться. Ошибки помогают двигаться человечеству вперед. Но некоторые стоят слишком дорого и могут обойтись несколькими годами исследований. Сегодня мы расскажем вам о катастрофе энергии вакуума. Эта проблема находится на стыке двух самых успешных теорий 21 века: квантовой теории поля и общей теории относительности. Чтобы детально во всем разобраться, придется погрузиться в некоторые теоретические вопросы – от мельчайших флуктуаций вакуума до загадочной темной энергии.
Флуктуа́ция (от лат. fluctuatio — колебание) — любое случайное отклонение какой-либо величины. В квантовой механике — отклонение от среднего значения случайной величины, характеризующей систему из большого числа хаотично взаимодействующих частиц;
В двадцатых годах прошлого века в обсерватории Маунт-Вилсон случилось невероятное открытие. Исследователь Эдвин Хаббл с помощью 100-дюймового (2,5 метра) телескопа установил, что Вселенная не ограничивается нашей галактикой. Были распознаны объекты, слишком далёкие, чтобы быть частью Млечного пути, и некоторые известные «туманности» оказались отдельными галактиками за пределами нашей собственной. Под давлением фактов даже скептикам пришлось признать, что Вселенная больше, чем мы ее себе представляли.
Также, наблюдая за стандартными свечами, Хаббл заметил, что спектры многих объектов претерпевают красное смещение. Можно вспомнить эффект Доплера: если источник излучения или звука приближается к вам, то частота увеличивается, а при удалении – уменьшается, то есть сигнал смещается в более длинноволновую (красную) область. Но красное смещение зависело от расстояния – чем дальше находился объект, тем сильнее проявлялся эффект, и это работало во всех направлениях.
Хаббл провел расчеты, с помощью которых получилось выполнить грубую оценку возраста Вселенной. Результат – два миллиарда лет. Благодаря радиоизотопному датированию было известно, что возраст Вселенной более двух миллиардов лет. Эта несостыковка поставила под сомнения результаты Хаббла. Однако, затем произошла серьезная корректировка расчетов. Множество различных методов вычисления дают фактический возраст Вселенной 13,7 миллиардов лет.
Теоретически никто не мог объяснить совокупность наблюдаемых Хабблом эффектов. Природа указывала на расширение Вселенной подчиняющейся общей теории относительности. Согласно этой модели, красное смещение в излучении обусловлено расширением пространства между двумя достаточно отдаленными объектами. Математически удалось рассчитать возможную скорость расширения Вселенной.
Для проведения этих расчетов использовалось уравнение Фридмана, в котором есть загадочная буква «к» - константа кривизны. Ее значение даст информацию о характере изменения пространства Вселенной: бесконечно расширяется, сжимается, или расширяется с замедлением. Дальнейшие математические преобразования пришли к противоречию с теорией космологии – Вселенная «на бумаге» должна сжиматься, хотя фактически расширяется или расширяется, с замедлением. Оказалось, что не учитывалась важная часть пространства космоса – темная энергия. Она обусловлена плотностью энергии ускоряющегося расширения Вселенной. И, как оказалось, является существенной частью энергии нашего космоса.
С этим новым параметром дифференциальные уравнения дали результат в виде нескольких возможных сценариев изменения пространства Вселенной. Также получилось, что пустое пространство имеет постоянную плотность энергии, именуемую энергией вакуума, и если вывести плотность энергии вакуума, то можно будет предсказать варианты развития нашего космоса.
Но! Не кажется ли это странным? Разве вакуум по определению не пуст? Почему его плотность энергии не тождественно равна нулю? Как пустота может содержать энергию?
Ответ связан с квантовой механикой и принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно квантовой теории поля, Вселенная наполнена множеством квантовых полей, которые пронизывают все пространство, и каждый тип частиц соответствует небольшой пульсации соответствующего поля. Электрон – пульсация электронного поля, фотон – электромагнитного. Тогда вакуум должен состоять из полей с нулевой амплитудой. Если квантовое поле имеет точно нулевую амплитуду, то неопределенность в положении будет нулевой. А это запрещено неравенством Гейзенберга. Придется принять, что существует флуктуационное движение квантового поля, и это движение вносит энергию, именуемую энергией нулевых колебаний. С помощью планковских величин можно предсказать энергию в минимальном объеме – планковская длина в кубе. Также учет новых факторов сделал значение той самой буквы "к" похожим на ноль, что соответствует замедляющемуся расширению вселенной.
Итак, значение такой плотности энергии 10^114 джоулей. Это невероятно огромная плотность. Такая энергия имеет массу равносильную сжатию Андромеды в один кубический миллиметр, и вся она вызвана квантовыми флуктуациями. Измеренное же значение критической плотности энергии составляет 10 в степени минус 10 джоулей, что колоссально отличается от теории. Это худшее несоответствие между предсказаниями и наблюдениями в истории физики, лежащее в основе вакуумной катастрофы. Катастрофичность заключается в том, что Вселенная, подчиняющаяся предсказаниям нашей теории, должна удваиваться в размерах за каждое мгновение, и все должно быть разорванным в первые же мгновения ее существования.
Огромная ошибка, ужасающая неопределенностью ее природы. Что нужно исправить или учесть, чтобы результаты походили на правду, сказать сейчас невозможно. Каждый день появляются новые и новые теории, которые активно развиваются, но пока что человечество далеко от ответа. Поэтому нам остается только ждать ответов и новых исследований уже от другого телескопа - «Джеймса Уэбба». Научная революция надвигается, и нам повезло быть ее современниками.