Про вакуумі відомо також, що його енергія ... нескінченна. Але це уявна нескінченність, яка не має фізичного сенсу. Формальна нескінченність виникає в неправильному математичному розрахунку, а правильно обчислювати енергію вакууму фізики-теоретики поки не вміють. В їх розрахунках виходить, що енергія вакууму безкінечний не тільки для всієї нескінченної Всесвіту (якщо Всесвіт дійсно нескінченна); вона є в нескінченній кількості і в кожному кубічному сантиметрі простору. Причому це не тільки десь дуже далеко від нас в глибинах Всесвіту, а просто по всіх усюдах, і, зокрема, в кімнаті, де знаходиться наш читач.
Ясно, що це безглузда нескінченність, і якби теоретики вміли правильно обчислювати енергію вакууму, вона вийшла б у них не нескінченною, а цілком кінцевої, і швидше за все досить малою. Тобто такою, якою цю вакуумну енергію недавно виявили і виміряли астрономи-спостерігачі. Несподіваним чином вакуум проявив себе в астрономічних спостереженнях своїм ... антітяготеніем.
Що це таке - антітяготеніе? Всі тіла природи притягуються один до одного силою взаємного тяжіння. Сила взаємного тяжіння двох тіл пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Такий всім знайомий закон всесвітнього тяжіння Ньютона. Він діє і на Землі, і в Сонячній системі, і у всьому Всесвіті, чому ньютонівської тяжіння і називають всесвітнім.
Що ж стосується антітяготенія, то воно, як з'ясувалося, теж існує в природі, але помітно тільки в великих, космічних масштабах. Астрономи виявили, що воно змушує галактики і системи галактик віддалятися один від одного зі зростаючою швидкістю. Це найбільше відкриття в космології, а можливо, в природознавстві взагалі, за останні роки. До цього успіху вела нелегка дорога гіпотез, сумнівів і пошуків.
Про вакуумі, про його енергії і про створюваний ним антітяготеніі піде далі мова в цій статті.
Коротка історія космології
Космологія бере початок в перші десятиліття XX в. То була особлива епоха в історії науки. Тоді були створені теорія відносності і квантова механіка, складові з тих пір фундамент всієї фізики. Космологія починалася з перших теоретичних пошуків, які майже всім здавалися спочатку зовсім абстрактними і довільними, якщо не фантастичними. Потім послідували грандіозні спостережні відкриття, і в результаті в космології виникла нова (багата змістом і добре обґрунтована) картина світу як єдиного цілого.
Історія космології складається, якщо говорити зовсім коротко, з чотирьох найбільших подій. Це відкриття, які і визначили обличчя науки про Всесвіт до початку XXI ст.
Перше з трьох найважливіших відкриттів зроблено Едвіном Хабблом: в 1929 році він виявив розбігання галактик, яке тепер розуміють як загальне розширення Всесвіту. Незабаром після цього, в 1933 р, Фріц Цвіккі помітив ознаки існування у Всесвіті темної матерії, яку називають ще й прихованими масами. Третя подія - реєстрація реліктового випромінювання, рівномірно заповнює весь простір світу; це було зроблено в 1965 р Арно Пензиасом і Робертом Вілсоном (Нобелівська премія 1986 г.). Нарешті, четверте і найсвіжіше подія - відкриття всесвітнього антітяготенія двома групами астрономів; воно сталося зовсім недавно, в 1998 - 1999 рр.
Чудово, що три з чотирьох найбільших спостережних відкриттів були заздалегідь передбачені теоретиками. Розширення Всесвіту було передбачене Олександром Олександровичем Фрідманом в 1922 р Реліктове випромінювання теж було передвіщено - це заслуга Георгія Антоновича Гамова (1940 - 1950-ті роки), колись студента професора Фрідмана в Ленінградському університеті. Існування ж всесвітнього антітяготенія передбачав Ейнштейн (1917 р). Тільки темна матерія з'явилася в космологію несподівано - про її існування ніхто заздалегідь не підозрював.
Передбачення Ейнштейна найдовше чекало свого наглядової підтвердження. І ось це нарешті сталося. Як і годиться в історії найважливіших відкриттів, воно виявилося сюрпризом майже для всіх, а деяких теоретиків і зовсім застало зненацька. Ніхто не міг уявити собі, що долю ейнштейнівською ідеї вдасться з'ясувати вже зараз і до того ж з таким високим ступенем визначеності та надійності.
гіпотеза Ейнштейна
У 1915 р Ейнштейн створив загальну теорію відносності. Двома роками пізніше він зробив спробу застосувати її до вивчення світу, що розглядається як якесь єдине ціле. Нова теорія вперше дозволила поставити таку зухвалу мету як точно формулюється і притому строго розв'язуваної наукової задачі. Ейнштейн вирішив цю задачу і представив результат у вигляді фізико-математичної моделі Всесвіту. Модель описувала Всесвіт як статичну, вічну і незмінну фізичну систему. У Всесвіті Ейнштейна тяжіння всіх тіл природи один до одного ... відсутнє. Ньютонівської всесвітнє тяжіння при цьому, однак, не скасовувалося; але крім нього в ейнштейнівською моделі діяв ще один силовий фактор - всесвітнє антітяготеніе, яке повністю компенсувало взаємне тяжіння космічних тіл в масштабі всього Всесвіту.
Нічого подібного колишня, доейнштейновская фізика не знала. Але антітяготеніе не витікала в дійсності і з загальної теорії відносності. Це була абсолютно нова ідея. Вона органічно і в виключно економною формі була введена в структуру загальної теорії відносності, в її математичні рівняння.
Антітяготеніе було представлено в цих рівняннях всього однієї і притому постійної фізичної величиною, одним числом, яке отримало пізніше назву космологічної константи.
Космологічна константа, що позначається грецькою буквою Λ (лямбда), забезпечувала в моделі Ейнштейна компенсацію всесвітнього тяжіння - без неї теорія не допускала б статичності світу.
Останнє зрозуміло: у світі, де безроздільно панує одне лише всесвітнє тяжіння, всі тіла повинні «падати», рухаючись під дією взаємного тяжіння. Статичність, спокій і вічна незмінність в такому випадку абсолютно неможливі.
Події в космології тих років розвивалися стрімко. У 1922 р Фрідман довів, що рівняння загальної теорії відносності - навіть при наявності в них космологічної константи - допускають не тільки статичні моделі, а й моделі динамічні, в яких Всесвіт як ціле могла розширюватися або стискатися. Фрідман явно вважав за краще модель Всесвіту. Вона і підтвердилася в 1929 р в астрономічних спостереженнях Хаббла.
Як тільки стало ясно, що у Всесвіті ніякого спокою насправді немає, багато хто визнав, що ідея всесвітнього антітяготенія провалилася, а в космологічної константи немає потреби. Так вважав і сам Ейнштейн, який одного разу в розмові з Гамовим назвав ідею космологічної константи своїм самим прикрим промахом в науці. Проти цієї ідеї були і інші теоретики, серед них Л. Д. Ландау і В. Паулі. Про умонастрої Ландау в1950 - 1960 рр. пише В. Л. Гінзбург: «Л. Д. Ландау навіть чути не хотів про Λ-члені, але добитися від нього пояснення причини такої позиції мені не вдалося ».
І тим не менше інтерес до гіпотези Ейнштейна не зникав. Десятиліття за десятиліттям, починаючи з робіт В. де Ситтера і Ж. Леметра, складалося розуміння того, що ж по суті стоїть за цією новою константою природи, - якщо тільки вона не дорівнює нулю. В результаті виникло уявлення, що космологічна константа Ейнштейна описує якусь нову, зовсім незвичайну космічну середу. Це середовище, невідоме до того ні в теорії, ні в експерименті, заповнює весь простір світу з усюди і завжди однаковою щільністю. Вона діє на занурені в неї космічні тіла так, що їх взаємне тяжіння може бути ослаблене або навіть повністю усунуто - як в космологічної моделі Ейнштейна. Більш того, це середовище здатна не тільки компенсувати всесвітнє тяжіння, але і пересилити його, змусити тіла не притягатися один до одного, а віддалятися один від одного. Така точка зору була вперше висловлена Ерастом Борисовичем Глінер в 1965 р Зараз вона набула значного поширення.
Антігравітірующего космічну середу ми називаємо вакуумом Ейнштейна-Глінер. І, як уже сказано, вакуум - це аж ніяк не порожнеча. У вакууму є енергія, і ця енергія має постійну в часі і всюди однаковою в просторі щільністю - і до того ж в будь-якій системі відліку. Цим вакуум принципово відрізняється від усіх інших форм космічного середовища, щільність яких неоднорідна в просторі, падає з часом в ході космологічного розширення і може бути різною в різних системах відліку.
відкриття антітяготенія
У 1998 - 1999 рр. дві групи астрономів-спостерігачів повідомили про відкриття всесвітнього антітяготенія. У роботі брали участь велика кількість дослідників (близько ста в цілому), однією групою керував Адам Райєс, інший - Сол Перлмуттер. Астрономи виявили, що в спостережуваному Всесвіті присутній вакуум, - швидше за все, саме той вакуум Ейнштейна-Глінер, який математично описується космологічної константою. Виявилося, що по щільності енергії він перевершує всі звичайні форми космічного речовини разом узяті. Вакуум створює космічне антітяготеніе, яке не те що компенсує всесвітнє тяжіння, але безумовно пересилює його і майже безроздільно керує динамікою космологічного розширення в сучасну епоху.
Відкриття зроблене на підставі вивчення спалахів далеких наднових зірок. Через виняткову яскравості таких спалахів наднові зірки можна спостерігати на дуже великих, по-справжньому космологічних відстанях. Опускаючи інші деталі, скажімо, що використовувалися дані про найновіші зірки певного типу (Ia), які прийнято вважати стандартними свічками; їх власна світність в максимумі блиску дійсно лежить в досить вузьких межах (експерти по наднових зірок продовжують тим часом сперечатися, в яких саме). Це дозволяє простежити, як видима, що реєструється яскравість джерел залежить від відстані до них. Звичайно, на невеликих відстанях це класичний закон зворотних квадратів; але на дуже великій відстані джерел стають істотними космологічні ефекти, і, отже, характер цієї залежності дозволяє в принципі дізнатися щось нове про весь Всесвіт.
Одне погано зі надновими зірками - цих зірок дуже мало. В середньому на звичайну галактику доводиться один спалах наднової зірки за приблизно сто років, та й триває ця спалах всього кілька місяців, а то і тижнів. Тому статистика космологічних наднових зірок не надто поки багата (близько двохсот зірок до літа 2007 р.)
Перша група спостерігачів, яка повідомила про свої результати в 1998 р, у своєму розпорядженні дані про всього декількох наднових зірок потрібного типу на потрібних відстанях; але вже і цього було досить, щоб помітити космологічний ефект в законі убування видимої яскравості з відстанню. Виявилося, що спадання яскравості відбувається в середньому трохи швидше, ніж цього слід було б очікувати по космологічної теорії, яка до того вважалася стандартної. Але це можливо тоді (і, як всі зараз думають, тільки тоді), коли космологічне розширення відбувається з прискоренням, т. Е. Коли швидкість віддалення від нас джерела світла не убуває, а зростає з часом. Прискорення ж може створити тільки космічний вакуум: його антітяготеніе прагне видалити тіла один від одного і тим самим підганяє розліт галактик і скупчень.
Саме завдяки цьому ефекту прискорення і вдалося розпізнати космічний вакуум і навіть дуже точно виміряти щільність його енергії. Виявилося, що щільність енергії вакууму становить 7 ∙ 10 - 30 г / см3, якщо висловити її в одиницях щільності маси. (Як відомо, маса і енергія зв'язані між собою знаменитою формулою Е = mc2; щоб перерахувати щільність маси на щільність енергії, потрібно помножити її на c2.) Ця щільність помітно більше щільності інших видів космічного речовини і енергії.
Енергія вакууму становить приблизно 70% від повної енергії (або маси) Всесвіту. При цьому на темна речовина припадає 25%, на звичайну речовину з протонів, нейтронів і електронів - 4%, а внесок реліктового випромінювання менше 1%.
Нагадаємо, що темна речовина - це холодний (нерелятивістський) газ елементарних частинок, природа яких поки не встановлена. Їх не вдається досі «зловити» і вивчити в лабораторії. Але точно відомо, що це не ті частки (протони, нейтрони, електрони), з яких складається звичайне речовина. Частинки темної речовини не мають електричного заряду, вони не випромінюють світла і тому невидимі; вони взагалі не беруть участі в електромагнітній взаємодії. Передбачається, що вони здатні брати участь в слабкій взаємодії (відповідальному, наприклад, за бета-розпад атомних ядер); вони схильні також взаємною тяжінню і підкоряються закону всесвітнього тяжіння Ньютона. Темної речовини у Всесвіті приблизно в 6 разів більше за масою, ніж звичайної речовини.
Сумарна щільність вакууму і трьох інших компонент космічного середовища точно (або майже точно) дорівнює так званої критичної щільності: це означає, відповідно до теорії Фрідмана, що тривимірний простір Всесвіту є плоским, евклідовим (або дуже близьким до нього). Всі ці дані були підтверджені пізніше іншими астрономічними спостереженнями і зараз вважаються надійно встановленими.
Для антітяготеющей середовища, після того як вона була відкрита, стали придумувати нові назви. Одне з них - темна енергія - набула деякого поширення. Під нею розуміють, взагалі кажучи, не вакуум Ейнштейна-Глінер (про властивості якого далі буде говоритися докладно), а будь-яку мислиму середу, здатну створювати антітяготеніе. І вакуум, і ця гіпотетичне середовище дійсно є темними в тому сенсі, що вони невидимі, не випромінюють і не відображають світла. Останнім часом наглядові дані все більш виразно вказують на те, що антітяготеющая середовище це саме вакуум Ейнштейна-Глінер (описуваний космологічної константою), а не що-небудь ще.
Чому «анти»
Чому ж вакуум створюється не тяжіння, а антітяготеніе? Вся справа в тому, що вакуум Ейнштейна-Глінер володіє не тільки певною щільністю, але також і тиском. Так він з самого початку заданий і описаний космологічної константою. При цьому якщо щільність вакууму позитивна, то його тиск негативно. Негативний тиск - не цілком звичайне явище в фізиці. При «нормальних умовах» тиск в «нормальної» рідині або газі, як правило, позитивно. Але і в рідини (наприклад, в потоках води), і в твердих тілах (наприклад, у всебічно розтягнутої сталевий болванці) негативний тиск теж може виникати. Це вимагає особливих, спеціальних умов, але саме по собі не є чимось винятковим.
Однак в разі вакууму ситуація зовсім особлива. Тиск вакууму не тільки негативно, воно до того ж одно - по абсолютній величині - його щільності енергії (нагадаємо, що ці дві фізичні величини мають однакову розмірність). Іншими словами, тиск вакууму є щільність енергії зі знаком мінус. Нічого подібного немає в жодній іншій середовищі. Це абсолютно і виключно властивість одного вакууму, і тільки його. Це, і тільки це, співвідношення між щільністю і тиском сумісно з поняттям вакууму як форми енергії з усюди і завжди постійною щільністю, незалежно від системи відліку.
Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння створюється не тільки щільністю середовища, але і її тиском. При цьому «ефективна» щільність енергії, що створює тяжіння, складається з суми двох доданків: щільності енергії і трьох величин тиску. Але при зазначеній вище зв'язку між тиском і щільністю енергії вакууму така сума становить дві величини тиску і тому виявляється негативною. Звідси і антітяготеніе вакууму: негативна ефективна щільність створює «негативне» тяжіння.
За наглядовою даними про наднових, про які ми згадували, щільність вакууму перевищує сумарну щільність всіх інших видів космічної енергії. Тому в спостережуваному Всесвіті антітяготеніе сильніше тяжіння, і космологічне розширення має відбуватися з прискоренням.
прискорене розширення
На Відміну Від всесвітнього тяжіння, всесвітнє антітяготеніе прагнем НЕ зблізіті тела, а, навпаки, ВИДАЛИТИ їх один від одного. Якщо, наприклад, є два тіла на тлі вакууму, то вакуум змушує їх рухатися в протилежних напрямках. Так що якщо ці тіла в якийсь момент спочивали один щодо одного, то в наступний момент вони починають рухатися геть один від одного.
При загальному космологічної розширенні спостерігаються швидкості розбігаються галактик теж призводять до їх видалення один від одного. Це означає, що діюча на них сила антітяготенія спрямована уздовж їх швидкості, і тому вона допомагає галактик розбігатися, весь час збільшуючи їх відносну швидкість.
Раз спостерігається розширення Всесвіту відбувається з прискоренням, воно буде тривати необмежено довго - ніщо вже не здатне стати цьому на заваді. Дійсно, середня щільність речовини і випромінювання буде при розширенні тільки зменшуватися. Але це означає, що створюване ними тяжіння ніколи вже не стане переважати у Всесвіті. Динамічне домінування вакууму буде тільки посилюватися, а розбігання галактик буде відбуватися все швидше і швидше.
Звернемося тепер не до майбутнього, а до минулого Всесвіту. Вакуум домінував в світі не завжди. Його щільність не змінюється з часом, тоді як щільність темної речовини падає при розширенні світу і, отже, зростає назад в минуле. Все це означає, що антітяготеніе вакууму було несуттєво в досить віддаленому минулому. У ранньому Всесвіті панувало всесвітнє тяжіння й не-вакуумних компонент космічного середовища. Воно уповільнювало космологічне розширення. А епоха антітяготенія і прискореного розширення наступила тільки при віці світу в 6 - 8 млрд років. Це приблизно половина від сучасного віку Всесвіту, який становить близько 14 млрд років.
Але якщо в ранній історії Всесвіту космологічне розширення відбувалося з гальмуванням, точні вимірювання прискорення по наднових зірок повинні прямо на це вказати, якщо тільки вдасться знайти наднові зірки, що знаходяться від нас на відстані в 6 - 8 млрд і більше світлових років. Чудово, що такі приклади дуже далеких наднових зірок в самий останній час були знайдені, і вони виразно підтверджують, що в далекому минулому розширення дійсно відбувалося не з прискоренням, а з уповільненням. Разом з тим ці приклади служать, очевидно, вагомим додатковим аргументом на користь всієї нової картини еволюції Всесвіту, яка виникла завдяки відкриттю космічного вакууму.
Три маси вакууму
Як відомо, простір разом з часом утворюють єдине різноманіття, чотиривимірний простір-час, в якому три координати відносяться до власне простору, а четверта координата є час. Саме так описує світ теорія відносності. Відповідно до цієї теорії, геометрія чотиривимірного простору-часу визначається розподілом і рухом речовини. Речовина розподілена в просторі і рухається в часі. Зв'язок між речовиною і простором-часом здійснює тяжіння речовини. Зв'язок цей взаємна: не тільки речовина впливає на геометрію простору-часу, а й простір-час здатне впливати на розподіл і рух речовини в ньому.
Але вакуум, і тільки він один, здатний впливати, але не відчувати на собі зворотного впливу. Дійсно, той факт, що щільність і тиск вакууму незмінні, означає, що на вакуум ніщо, ніде і ніколи ніяк не діє. Він впливає на речовину своїм антітяготеніем, впливає на властивості простору-часу. І навіть повністю їх визначає, коли його щільність перевищує сумарну щільність всіх інших видів космічної енергії. А сам не відчуває ні зворотного впливу всього речовини світу, ні зворотного впливу геометрії світу, ні свого власного антітяготенія. Він надає дію, але не відчуває протидії. Це єдиний відомий у фізиці приклад, коли дія не дорівнює протидії, - всупереч третім законом Ньютона. Причина такої «непіддатливості» вакууму полягає в тому, що у нього немає інертної маси; вірніше, вона дорівнює нулю. Інертна маса - це поняття з другого закону Ньютона, який говорить, що сила, яка діє на тіло, дорівнює добутку прискорення на масу тіла.
Тут мається на увазі саме інертна маса. Для всіх звичайних тел вона відмінна від нуля. Інертна маса одиниці об'єму тіла дорівнює - за загальним визначенням - сумі щільності енергії тіла і тиску в ньому, поділеній на квадрат швидкості світла. Але як ми пам'ятаємо, тиск вакууму є його щільність енергії зі знаком мінус. З цього випливає, що сума, яка дає інертну масу, звертається для вакууму в нуль. Але тоді виходить, що будь-яка сила, прикладена до вакууму, теж дорівнює нулю.
У фізиці відомий і ще один рід маси - це пасивна гравітаційна маса. Вона фігурує в законі тяжіння Ньютона. Це маса, яка «відчуває» поле тяжіння, створюване всіма іншими тілами. Ще Галілею було відомо, що пасивна гравітаційна маса завжди дорівнює інертною масі. Саме тому всі тіла рухаються з однаковим прискоренням в поле тяжіння Землі. Рівність цих двох мас становить зміст універсального принципу еквівалентності, який діє в механіці Ньютона і повністю зберігає свою силу в загальній теорії відносності. Стосовно до вакууму еквівалентність означає, що його пасивна гравітаційна маса дорівнює нулю, як і його інертна маса. Тому вакуум - і тільки він один - не «помічає» ніяких полів тяжіння, ні чужих, ні свого власного.
Ми вже згадували вище про ефективну гравитирующей щільності. Їй відповідає маса третього роду, яка називається активної гравітаційної масою, т. Е. Маса яких не відчуває, а створює тяжіння. Ефективна щільність - це активна маса, яка припадає на одиницю об'єму. Як ми знаємо, для вакууму ефективна щільність негативна. Значить, і активна гравитирующих маса вакууму відмінна від нуля і негативна. Для звичайних тел навколо нас все три роду маси однакові і невиразні, так що можна говорити просто про масу тіла у всіх трьох випадках.
світ антітяготенія
Що ж відбувається з простором-часом світу, коли в ньому починає домінувати вакуум? Якщо знехтувати впливом все не-вакуумного речовини, то тільки вакуум і визначатиме тоді властивості простору-часу. Як ми знаємо, щільність і тиск вакууму не змінюються з часом. З вакуумом взагалі нічого не відбувається, він усюди і завжди один і той же. Але раз незмінний вакуум, і тільки він, визначає властивості простору-часу, то і сам простір-час усюди і завжди повинно бути одним і тим же. Це означає, що світ, в якому безроздільно панує вакуум, повинен бути незмінним в часі, статичним. У повній відповідності з цим міркуванням космологічна теорія Фрідмана (а в ній з самого початку враховувалася можливість існування вакууму, яку представляють космологічної константою) описує світ вакууму як світ статичний і незмінний. Але яким чином відбувається це перетворення світу рухомого і розширюється в світ нерухомий? Як зі світу зникає еволюція? Адже розбігання галактик в ньому триває ... Так, галактики віддаляються один від одного в світі вакууму і притому з усе зростаючими швидкостями. Але чим швидше вони розбігаються, тим менше щільність їх загального розподілу, і, отже, тим слабкіше їх вплив - через їх власне тяжіння - на властивості простору-часу. А вплив вакууму - через його антітяготеніе - стає тим часом все більше і більше сильним. В результаті галактики, та й взагалі всёне-вакуумне речовина, виявляються в світі, властивості якого в цілому визначаються не ними, а вакуумом. Так еволюція світу в цілому згасає, його просторово-часової каркас застигає і залишається «замороженим» назавжди. Можна сказати, що чим сильніше розганяється космологічне розширення під впливом антітяготеющего вакууму, тим ближче наш чотиривимірний світ до абсолютної статиці, незмінності і повного спокою.
В такому світі всі події, т. Е. Чотиривимірні точки, невиразні, а це означає, що в ньому ніде нічого не відбувається, і тому цей світ вічний і незмінний як ціле. Такий світ нагадує статичний світ моделі Ейнштейна. Але в моделі Ейнштейна спокій досягався рівновагою тяжіння речовини і антітяготенія вакууму. У світі вакууму такого рівноваги немає: антітяготеніе вакууму нічим не урівноважене і тим не менше цей світ теж знаходиться в спокої.
Виявляється, що спокій не обов'язково передбачає рівновагу сил - якщо мова йде про вакуум, це необов'язково. Будучи сам незмінним, він робить і світ незмінним - за відсутності інших сил.
Про властивості вакууму Ейнштейна-Глінер, про всесвітній антітяготеніі можна було б і ще чимало розповісти. Але пора, здається, задати головне питання:
Що ж таке вакуум Ейнштейна-Глінер з точки зору фундаментальної фізики? З чого він складається? Яка його мікроскопічна структура? Доводиться відразу визнати: про це нічого достовірно поки невідомо. Поширена точка зору така, що хоча цей новоявлений вакуум і називають космічним, це той же вакуум, що і в атомній фізиці та мікрофізику, де він давно відомий. У фізичному вакуумі розігруються взаємодії елементарних частинок. Фізичний вакуум являє собою (як уже сказано) найнижча енергетичний стан квантових полів; він безпосередньо проявляється експериментально. В експериментах його присутність безсумнівно; але при цьому щільність енергії вакууму вислизає від вимірювання. Останнє далеко не випадково. Принципову обставину полягає в тому, що у всіх - крім тяжіння - фізичних взаємодіях проявляється тільки різниця енергій фізичної системи в різні моменти часу і / або в різних точках простору, але не вся величина енергії в даному стані фізичної системи. Лише тяжіння (гравітація - його синонім) реагує на саму енергію цілком, всю її, а не на її різниці.
Але якщо не враховується гравітація, то і саме поняття енергії виявляється в теорії неповним. Справа в тому, що без гравітації рівень, від якого відраховується енергія, залишається довільним. Але це нічого не заважає. Що б сприйняти як нульовий рівень енергії? Так що хочете, якщо у вас не розглядається тяжіння. При цьому результат розрахунку будь-яких вимірюваних фізичних величин не повинен залежати від прийнятої калібрування енергії.
Так і йдуть справи в електродинаміки та фізики ядерних взаємодій (сильного взаємодії і слабкого). Це відноситься також і до обчислення енергії вакууму. Та обставина, що при розрахунках вакууму в квантових полях його щільність енергії формально виявляється нескінченної, нікого не лякає - цю нескінченність можна прирівняти нулю, т. Е. Вибрати її за рівень, від якого відраховується енергія.
Але коли на сцену виходить тяжіння, неповнота теорії негайно виявляється. Гравітація відчуває всю енергію, як ми сказали. Тому нульовий рівень енергії виявляється в цьому випадку не умовним, а безумовним і абсолютним. Від нього і потрібно відраховувати всі енергії, і в тому числі енергію фізичного вакууму. Однак теорія не говорить нам, як це слід зробити. Фундаментальна теорія не змогла передбачити значення щільності космічного вакууму. Навіть зараз, коли величина щільності вже виміряна астрономами, теорія не в змозі обчислити її значення «з перших принципів». Це не випадкове обставина, причина криється в нинішньому стані фундаментальної фізики.
За фундаментальної фізикою значаться грандіозні успіхи. Але щоб впоратися з проблемою вакууму, потрібно така теорія, яка об'єднала б квантові закони до законів тяжіння. Тоді повна енергія вакууму квантових полів (а не тільки її різниці) придбала б точний фізичний зміст, а тому і її щільність піддалася б обчисленню. Але такої теорії зараз немає; лише окремі її паростки пробиваються на тому грунті, де квантова теорія стикається з космологією, з фізикою гравітаційних хвиль і фізикою чорних дір. Минуло майже сто років з часу створення квантової механіки і загальної теорії відносності, а синтез цих теорій - мрія Ейнштейна і теоретиків багатьох поколінь - залишається поки справою не надто певного майбутнього. Можливо, це найгостріша завдання фізики і космології на XXI століття.
А. Д. Чернин
Але яким чином відбувається це перетворення світу рухомого і розширюється в світ нерухомий?
Як зі світу зникає еволюція?
З чого він складається?
Яка його мікроскопічна структура?
Що б сприйняти як нульовий рівень енергії?