А вот если мы хотим рассчитать воздействие виртуальных частиц на пустое пространство само по себе, нам нечего вычитать и поэтому в ответе у нас получается бесконечность.
Бесконечность – это не слишком приятная величина, по крайней мере физики ее недолюбливают и всячески стараются избегать. Очевидно, что энергия пустого пространства (да и чего угодно, если уж на то пошло) физически не может быть бесконечной, поэтому волей-неволей надо найти способ провести вычисление и получить конечный ответ.
Откуда берется эта бесконечность, легко объяснить. Если рассмотреть все возможные виртуальные частицы, которые могут появиться, то принцип неопределенности Гейзенберга (а он, напоминаю, гласит, что неопределенность измеряемой энергии системы обратно пропорциональна продолжительности наблюдения) предполагает, что из ниоткуда могут спонтанно возникать частицы, которые несут все большее количество энергии, если они исчезают все быстрее. В принципе получается, что если частицы исчезают почти мгновенно, то могут нести практически бесконечную энергию.
Однако законы физики в том виде, в каком мы их понимаем, применимы лишь к расстояниям и промежуткам времени, которые больше некоторых конечных величин. Они соответствуют тем масштабам, на которых нужно учитывать эффекты квантовой механики, пытаясь понять гравитацию и связанное с нею воздействие на пространство – время. Пока у нас нет в распоряжении так называемой теории квантовой гравитации, мы не можем полагаться на экстраполяции, выходящие за эти пределы.
Можно надеяться, что новая физика, связанная с квантовой гравитацией, так или иначе позволит устранить воздействие виртуальных частиц, которые живут меньше так называемого планковского времени. А тогда, если рассмотреть совокупное воздействие только виртуальных частиц с энергиями не выше тех, что допускает такое ограничение по времени, мы получим конечную оценку энергии, которую вносят виртуальные частицы в пустое пространство.
Но тут таится загвоздка. При такой оценке энергия получается примерно в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше энергии, связанной со всем веществом во Вселенной, включая темное.
Если расчет энергетических уровней в атомах с учетом виртуальных частиц – самый точный расчет во всей науке, то оценка энергии пространства – на 120 порядков больше, чем энергия всего остального во Вселенной, – несомненно, самая ужасная! Если бы энергия пустого пространства была хоть сколько-нибудь близка к такой величине, то вызываемая ею отталкивающая сила (вспомним, что энергия пустого пространства соответствует космологической постоянной) была бы до того огромна, что могла бы и сегодня разнести Землю, – хуже того, она была бы до того огромна на ранних стадиях существования Вселенной, что все, что мы сегодня видим, было бы в первый же миг после Большого взрыва разнесено в клочки так стремительно, что не возникло бы никаких структур, ни звезд, ни планет, ни людей.
Эта проблема, получившая очевидное название «проблема космологической постоянной», донимала ученых еще в ту пору, когда я учился на старших курсах, а первым ее сформулировал советский космолог Яков Зельдович примерно в 1967 г. Она до сих пор не решена и, возможно, представляет собой самую фундаментальную нерешенную задачу в физике на сегодняшний день.
Мы, физики-теоретики, более 40 лет понятия не имели, как решить эту проблему, зато знали, каким должен быть ответ. Подобно третьеклашке, который, как я уже писал, скорее всего, сказал бы, что энергия пустого пространства должна быть равна нулю, мы тоже считали, что, когда удастся вывести окончательную универсальную теорию, она объяснит, как влияние виртуальных частиц скомпенсируется и получится, что энергия пустого пространства в точности равна нулю. То есть ничему. Точнее, Ничему.
Аргументация у нас была лучше, чем у третьеклашки, по крайней мере мы на это уповали. Нам надо было снизить количество энергии пустого пространства, свести ее с той исполинской величины, которую давали наши наивные оценки, к числу, которое соответствовало бы верхнему пределу, допустимому по данным наблюдений. Для этого нужен был какой-то способ вычесть из очень большого положительного числа другое очень большое положительное число, чтобы взаимно уничтожились 120 разрядов и осталось нечто ненулевое на 121-м месте! Однако в науке еще не было случаев, чтобы два больших числа скомпенсировали друг друга настолько точно, с такой крошечной разностью.
А вот получить ноль обычно просто. Симметрии природы часто позволяют нам доказать, что в уравнение входят в точности равные величины с противоположным знаком, которые сокращаются без остатка – и не остается ничего. Точнее, опять же Ничего.
Поэтому мы, физики-теоретики, жили себе спокойно, не мучаясь от бессонницы. Да, мы пока не знали, как получить ответ, зато были уверены, что знаем, каким он должен быть.
Но у природы было другое мнение.
Глава 5
Неудержимая Вселенная
В наши дни задумываться о происхождении жизни – пустая трата времени, все равно что задумываться о происхождении вещества.
Гипотеза, которую мы с Майклом Тёрнером высказали в 1995 г., была сущей ересью. Мы предположили, что Вселенная плоская, исходя, в сущности, из теоретических предубеждений. (Еще раз подчеркну, что «плоская» трехмерная Вселенная является плоской не в том смысле, как двумерный блин, – это то самое трехмерное пространство, которое интуитивно представляем себе все мы: пространство, в котором световые лучи прямые. Это надо противопоставить картине искривленных трехмерных пространств, которые гораздо труднее себе представить и в которых световые лучи, повторяющие фундаментальную кривизну пространства, распространяются не по прямым линиям.) Затем мы отметили, что все доступные на тот момент космологические данные можно совместить с картиной плоской Вселенной при условии, что лишь примерно 30 % общей энергии содержится в особом темном веществе, которое, как, по всей видимости, показывали наблюдения, существует вокруг галактик и их скоплений. Но самое странное даже не это, а то, что оставшиеся 70 % общей энергии содержатся не в веществе в том или ином виде, а в пустом пространстве как таковом.
Наша идея была безумной по любым стандартам. Чтобы значение космологической постоянной соответствовало нашему заявлению, ту оценочную величину, о которой шла речь в конце предыдущей главы, нужно было каким-то образом сократить на 120 порядков, но так, чтобы при этом она не превратилась в ноль. Такой жесткой «тонкой настройке» не подвергали ни одну физическую величину на свете, к тому же никто не имел ни малейшего представления, как это проделать.
Отчасти именно поэтому, когда я пытался рассказать в разных университетах о загадке плоской Вселенной, мне доставались лишь улыбки. Думаю, никто не воспринял нашу гипотезу всерьез, и я даже не уверен насчет нас с Тёрнером. Мы решили эпатировать публику своей статьей с одной-единственной целью – наглядно продемонстрировать то, что беспокоило не только нас, но и нескольких наших коллег-теоретиков во всем мире: что-то было не так с принятой в то время «стандартной» картиной Вселенной, в которой почти вся энергия, необходимая, согласно ОТО, для создания плоской Вселенной, заключена в экзотическом темном веществе (и все это приправлено щепоткой барионов, из которых состоим мы, земляне, а также звезды и видимые галактики).
Один из коллег недавно напомнил мне, что после выхода в свет нашей скромной статьи за два года на нее сослались всего несколько раз, причем все ссылки, за исключением, может быть, одной или двух, были в наших же с Тёрнером публикациях. Научное сообщество в массе своей считало, что Вселенная, конечно, штука сложная, но все же не настолько безумная, как полагали мы с Тёрнером.