Загадка энергии вакуума
В теоретической физике, если уж какое-то понятие было обнаружено, закрыть
его обратно совсем непросто . Космологическая постоянная — это то же самое,
что энергия вакуума, энергия пустого пространства самого по себе . Вопрос не
в том, можно ли считать энергию вакуума хорошо определенным понятием,
а в том, насколько большой должна быть энергия вакуума .
Современная квантовая механика описывает вакуум вовсе не как пустое
скучное пространство; оно бурлит жизнью — его населяют виртуальные ча-
стицы . Одним из фундаментальных принципов квантовой механики является
принцип неопределенности Вернера Гейзенберга: ни в какой системе невоз-
можно зафиксировать наблюдаемые характеристики с идеальной точностью
в одном-единственном уникальном состоянии, и к пустому пространству это
тоже относится . Если пристально вглядеться в пустое пространство, мы увидим
то и дело появляющиеся и исчезающие частицы, представляющие собой кван-
товые флуктуации самого вакуума . Никакой особенной загадки в виртуальных
частицах не кроется, это не гипотетические частицы — они действительно
существуют, и они оказывают поддающееся измерению воздействие, которое
много раз наблюдали ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц .
Виртуальные частицы обладают энергией, которая вносит свой вклад в кос-
мологическую постоянную . Для того чтобы приблизительно понять, чему
должна быть равна космологическая постоянная, можно просуммировать
вклады всех подобных частиц . Однако было бы неправильно учитывать вклады
частиц с произвольно высокой энергией . Нашего традиционного понимания
физики элементарных частиц недостаточно для описания высокоэнергетических
событий: в какой-то момент приходится принимать во внимание эффекты 
Глава 3 . Начало и конец времени
83
квантовой гравитации, объединяющей положения общей теории относитель-
ности и квантовой механики, а эта теория на сегодняшний день пока еще раз-
работана не до конца .
Итак, вместо того чтобы апеллировать к правильной теории квантовой
гравитации, которой у нас пока что нет, мы можем просто посмотреть, какой
вклад в энергию вакуума вносят виртуальные частицы с энергией меньше по-
рогового значения, за которым важную роль начинает играть квантовая грави-
тация . Этот порог носит название энергии Планка в честь немецкого физика
Макса Планка, одного из пионеров квантовой теории, и равен приблизительно
двум миллиардам джоулей (обычная единица измерения энергии) .16 Попро-
буем суммировать энергию всех виртуальных частиц, энергия которых лежит
в диапазоне от нуля до энергии Планка, а затем скрестим пальцы и проверим,
совпадет ли полученное значение с фактически наблюдаемой энергией вакуума .
Нас ждет абсолютное фиаско . Наша тривиальная прикидка значения энергии
вакуума дает приблизительно 10105 джоулей на кубический сантиметр . Это
очень много энергии вакуума . Результаты наблюдений показывают, что энергия
одного кубического сантиметра — около 10–15 джоулей . Таким образом, наша
оценка превышает экспериментальное значение в 10120 раз — это единица
со 120 нулями . Вряд ли такое можно списать на ошибку эксперимента . Эту
разницу называют величайшим расхождением между теоретическими ожида-
ниями и экспериментальной реальностью за всю историю науки . Для сравнения:
общее число частиц в наблюдаемой Вселенной — около 1088; число песчинок
на всех пляжах Земли — примерно 1020 .
Тот факт, что энергия вакуума оказывается намного меньше ожидаемой,
представляет серьезную проблему — «проблему космологической постоян-
ной» . Однако существует и другая проблема: «проблема совпадения» .
Вспомните, что энергия вакуума по мере расширения Вселенной сохраняет
постоянную плотность (то есть объем энергии в одном кубическом санти-
метре не меняется), хотя плотность вещества уменьшается . Сегодня они не
сильно различаются: на долю вещества приходится около 25 % энергии Все-
ленной, а энергия вакуума составляет оставшиеся 75 % . Однако соотношение
существенно меняется, так как с расширением Вселенной плотность вещества
уменьшается, а энергия вакуума нет . Во времена рекомбинации, например,
плотность энергии вещества в миллиард раз превышала плотность энергии
вакуума . Таким образом, тот факт, что сегодня эти величины находятся на
сравнимом уровне — уникальный момент в истории! — действительно со-
здает впечатление незаурядного совпадения . Никто не знает, почему так
произошло .
84
Часть I . Время, опыт и Вселенная
В нашем теоретическом понимании энергии вакуума есть огромный пробел .
Если отбросить в сторону переживания на тему того, почему энергия вакуума
так мала, а ее плотность сравнима с плотностью энергии вещества, то на руках
у нас останется феноменологическая модель, прекрасно объясняющая экспе-
риментальные данные . (Точно так же, как Карно и Клаузиусу не нужно было
ничего знать об атомах, чтобы делать полезные выводы об энтропии, нам не
обязательно понимать происхождение энергии вакуума, чтобы увидеть, как
она влияет на расширение Вселенной .) Первые непосредственные свидетель-
ства существования темной энергии были получены при наблюдении сверх-
новых в 1998 году, и с тех пор суть картины была независимо подтверждена
множеством разнообразных методов . Либо Вселенная ускоряется от легкого
воздействия энергии вакуума, либо происходит нечто еще более драматичное
и загадочное .
Глубочайшее будущее
Насколько мы можем судить, плотность энергии вакуума по мере расширения
Вселенной не меняется (возможно, меняется, но чрезвычайно медленно, и мы
пока не смогли измерить изменения — это важнейшая цель современной эм-
пирической космологии) . Мы недостаточно хорошо изучили энергию вакуума,
чтобы судить, как она будет вести себя в безгранично далеком будущем, однако
очевидное первое предположение состоит в том, что она просто-напросто
навсегда останется на текущем уровне .
Если это и правда так, и энергия вакуума будет нашим вечным спутником,
то предсказать даже самое далекое будущее нашей Вселенной несложно . В де-
талях возможны интересные неожиданности, но общая картина относительно
проста .17 Вселенная продолжит расширяться, охлаждаться и становиться все
более и более разреженной . Далекие галактики будут убегать от нас все быстрее,
а их красное смещение будет только увеличиваться . Промежутки времени
между фотонами, прилетевшими к нам оттуда, будет становиться все больше,
и в конце концов галактики исчезнут из виду . Во всей обозримой Вселенной
не останется ничего, кроме нашей локальной группы галактик, связанных силой
притяжения .
Галактики не вечны . Принадлежащие им звезды выжигают свои запасы
ядерного топлива и умирают . Оставшиеся газ и пыль могут дать жизнь новым
звездам, но рано или поздно будет достигнута точка убывающего плодородия,
после чего все звезды в галактике умрут . Останутся только белые карлики
(звезды, которые когда-то сияли, но теперь у них не осталось топлива), корич-
Глава 3 . Начало и конец времени
85
невые карлики (звезды, которые вообще никогда не сияли) и нейтронные
звезды (которые раньше были белыми карликами, но под воздействием грави-
тации сколлапсировали) . Эти объекты сами по себе могут быть стабильными
или нет; наши текущие теоретические догадки говорят о том, что составляющие
их протоны и нейтроны не могут быть идеально стабильными и в конечном
итоге распадутся на более легкие частицы . Если это так (а надо признаться, что
уверенности в этом нет), то разнообразные формы мертвых звезд со временем
рассеются, превратившись в разреженный газ из частиц, разбегающихся в ни-
куда . Это произойдет нескоро; считается, что от описанных событий нас от-
деляет примерно 1040 лет . Для сравнения: возраст текущей Вселенной — око-
ло 1010 лет .
Помимо звезд, существуют также черные дыры . У большинства крупных
галактик, включая нашу, в центре находятся гигантские черные дыры . В га-
лактике, сравнимой по размеру с Млечным Путем и состоящей приблизи-
тельно из 100 миллиардов звезд, масса черной дыры может превышать массу
Солнца в несколько миллионов раз — невероятно много по сравнению
с любой обычной звездой . По сравнению же с целой галактикой черная дыра
невелика, но все же она продолжит расти, проглатывая любые горемычные
звезды, которым не посчастливится в нее упасть . В конце концов звезд не
останется . К этому моменту сама черная дыра начнет испаряться, испуская
в пространство элементарные частицы . Это — потрясающее открытие Сти-
вена Хокинга, которое он сделал в 1976 году . Мы подробнее поговорим об
этом в главе 12: черные дыры совсем не такие черные . Они постоянно ис-
пускают частицы в окружающее их пространство, в процессе медленно теряя
энергию, — благодаря квантовым флуктуациям, от которых никуда не деться .
Если подождать достаточно долго — я имею в виду 10100 лет или около того, —
то даже сверхмассивные черные дыры в центрах галактик испарятся, не
оставив после себя и следа .
Как я уже говорил выше, в деталях могут быть определенные расхождения,
но в целом картина долговременного прогноза остается неизменной . Прочие
галактики убегают от нас и исчезают; наша галактика развивается и проходит
через несколько различных стадий . В любом случае итог предопределен: жид-
кая кашица частиц, растворяющихся и исчезающих навсегда . В очень отдален-
ном будущем Вселенная снова станет чрезвычайно простым местом: она будет
абсолютно пустой, настолько пустой, насколько вообще может быть пустым
пространство . Это диаметральная противоположность горячему и плотному
изначальному состоянию Вселенной; яркое космологическое проявление
стрелы времени .
86
Часть I . Время, опыт и Вселенная