Числото, благодарение на което нашата Вселена съществува

Енергията на „нулевата точка““ е един от най-мистериозните феномени, които физиката все още не може да обясни.

Ние живеем в свят, в който пустотата всъщност не е празнота. Дори във вакуум, лишен от материя, съществува мистериозна сила – енергията на нулева точка – която според изчисленията е можела да унищожи цялата вселена в момента на нейното зараждане. Но това не се е случило. Защо? Физиците са озадачени от тази аномалия и се опитват да разберат каква е тази енергия. Засега единственото, до което са успели да стигнат в своите изчисления, е числото 10⁻¹²⁰ – енергийната плътност на вакуума, която всъщност не съответства на известните закони на квантовата физика, но благодарение на която все още сме живи.

Водещият теоретичен физик и космолог от Университета в Нотингам, който в момента е заместник-директор на новия Нотингамски център за гравитация Антонио Падила е написал книгата си „Fantastic Numbers and Where to Find Them: A Cosmic Quest from Zero to Infinity“, в която се опитва да обясни това и други невероятни числа във Вселената.

Спорът Паули-Щерн

Докато двамата физика Ото Щерн и Волфганг Паули допивали брендито си в хамбургския ресторант “Херлин”, Щерн развълнувано разказвал за новата си идея, върху която работил: „Казвам ти, Волфганг, енергията на „нулевата точка““ е реална. Аз изчислих ефекта и върху налягането на парите на изотопите на неона.” Паули гледал приятеля си с втренчен поглед. Той отпил няколко глътки бренди, а Щерн продължавал: „Ако енергията на нулевата точка не съществуваше, както казвате, разликата в налягането на парите между неон-20 и неон-22 би била огромна. Астън (бел.ред. – английският физик и химик Франсис Уилям Астън), носотел на Нобелова награда по химия за 1922 г.) щеше лесно да може да ги раздели, но знаем, че не можа!“

„ Ами гравитацията, Ото?“ — почти без емоции попитал Паули. Отговор не последвал. Паули извадил химикал и бележник и предложил „Тогава дай да пресметнем““. Той започнал да изписва някакви числа и Щерн го наблюдавал с интерес. След няколко минути Паули вдигнал триумфално глава. „Виж, Ото! Ако енергията на нулевата точка беше реална, светът нямаше да стигне дори до Луната!”Щерн направил всичко възможно да убеди приятеля си в нулевата енергия, но Паули бил непреклонен. Известното изчисление на Паули и неговото опустошително заключение се появили някъде в средата на 20-те години на миналия век, твърдели двама от неговите помощници малко след смъртта на учения през 1958 г. Но за какво са спорели Паули и Щерн? Каква е тази енергия на нулевата точка?

Какво представлява енергията на „нулевата точка“

Подобно на Волдемор, тя има много имена: енергия на нулевата точка, енергия на вакуума, нулева енергия, космологична константа. Както и Волдемор, тя трябвало да унищожи Вселената в момента на сътворението. Да ни лиши от шанса ни да се родим. И все пак по някакъв начин ние сме успели. Природата ни защитава от този тъмен властелин, тази нулева енергия и нейната жажда за Армагедон. Но никой не знае как точно. Нашето космическо оцеляване е най-голямата мистерия на цялата съвременна физика.

Енергията на нулевата точка е енергията на празното пространство. Представете си кътче от Вселената, посетено от междугалактическите съдебни изпълнители. Те изнесли всичко оттам – всички звезди, планети, газови купове и бучки тъмна материя. Не оставили нищо освен пустота. Няма атоми и светлина. Изоставено и пусто място.

И все пак в този вакуум има нещо, до което съдебните изпълнители не могат да достигнат. Там има енергия – енергията на „нулевата точка“; енергия, съхранявана в самия вакуум. Въпреки всичките си усилия съдебните изпълнители не могат да затворят вакуума. Квантовата механика изисква тя да бъде кипящ бульон от виртуални частици, които постоянно се появяват и изчезват, докосвайки света с енергията си, макар и само за миг.

За да разберете това, отидете в кухнята и вземете голяма купа. Хвърлете в него малка топчица, например стъклена или топче за тенис на маса. Какво виждате? Без съмнение топката ще се търкаля известно време по стените на купата и след това ще се спре на дъното. Ако бъде оставена необезпокоявана, вие бихте очаквали топката да остане точно на това място, с изключение на някакво мърдане от топлинни въздушни движения. Ами ако охладите кухнята до абсолютна нула и премахнете целия околен въздух? Топката изобщо не трябва да се движи, нали? Тя не трябва да мърда. А тя се движи!

Причината се крие в квантовата механика и прочутия принцип на неопределеността на Хайзенберг (просто казано, същността му е, че колкото по-точно се измерва едно свойство, толкова по-малко точно може да се знае друго – бел.ред.). […]. Нека да намалим мащабите в нашия експеримент и пуснем много лека частица в много малка купичка. Ако можем да кажем, че една частица е в покой и неподвижност на дъното, това означава, че знаем точно нейната позиция и импулс. Това противоречи на принципа на неопределеността, така че нещо трябва да се промени. Частицата трябва да претърпи малко квантово колебание. Тя никога не може да се подчини напълно.

Квантови колебания на вакуума

С тази идея се връщаме в нашия празен ъгъл на Вселената. Преди да пристигнат съдебните изпълнители, той е бил пълен с частици, които встъпили в заговор и създали планети, звезди и малки зелени човечета. Имало електрони и фотони, кварки и глуони, калибровъчни бозони и бозони на Хигс и всички други частици, включително тези, които все още са ни непознати. Това били просто вълнички във фундаменталните полета, които изчезнали, когато дошъл съдия-изпълнителят и изключил всичко. Ако си представите тези полета като океан, а частиците като вълнички по повърхността му, тогава работата на съдебните изпълнители била да влязат и да накарат океана да застине, тоест да го направят идеално гладък.

Но този океан никога истински не е бил и не може да бъде гладък. Поради принципа на неопределеността на Хайзенберг винаги съществуват квантови флуктуации. Същото важи и за полетата във вакуум – те никога не изчезват напълно. Винаги има малки смущения. Важно е да се разбере, че тези смущения не са реални частици, защото в такъв случай съдия-изпълнителят щеше да ги прибере и да ги отнесе. Така че те трябва да са виртуални.

Същото е и с вакуума. Ако се върнем в нашия празен ъгъл на Вселената, ще видим, че той е празен отначало сутринта, а след това след известно време отново. Времевият интервал няма особено значение. Важното е, че започнало с пустота и ще завърши с пустота, а какво ще се случи по средата, можем само да гадаем. Тези виртуални частици оставят своя отпечатък във вакуума. Те му придават маса. И енергия – много енергия.

За да разберем колко енергия е скрита във вакуума, трябва да го разделим на малки фрагменти. Както ще видим, размерът на тези парченца ще повлияе радикално на резултата. Ако се интересуваме само от физиката, която може да се види с просто око, можем да си представим такива фрагменти като кутии с размер малко по-малък от милиметър. Но трябва да сме по-амбициозни. Докато Паули обмислял този въпрос по време на обяда, той представил парчетата от пъзела с размерите на класическия радиус на електрон – няколко фемтометъра напречно. Това е много по-малко, отколкото бихте се надявали да видите с просто око; приблизително 10 000 пъти по-малко от размера на атом. По времето на Паули това било края на физиката, границата на това, което учените се опитвали да разберат.

Както винаги в един релативистичен свят, с най-краткото разстояние идва и най-краткото време. Ако нашите парчета от пъзела са с размери няколко фемтометъра, като тези на Паули, тогава най-краткото време, което можем реалистично да разгледаме, е около една стотна от трилионна част на наносекунда. Това е невъобразимо краткото време, необходимо на светлината да премине през една от нашите кутии. […] Тези частици, които се появяват за най-кратко време, дават на вакуума най-голямата енергия и тяхното трескаво навлизане на сцената с огромна честота изхвърля толкова енергия, колкото позволява принципът на неопределеността. Това се равнява на около пет трилионни от джаула за всяка от нашите малки кутии. Може да не изглежда много, но кутиите са малки, така че енергийната плътност е опасно висока. Във чаша за кафе от празното пространство могат да се открият почти сто хиляди трилиона трилиона джаула. Това количество енергия е достатъчно, за да изпари всички океани на Земята.

Парадоксът на празното пространство

Но не трябва да спираме до тук. Измина почти век, откакто Паули е направил своите екстравагантни изчисления, и ние вече се научихме да гледаме много по-надълбоко. Сблъсъците на частици в ЦЕРН изместиха границата 10 000 пъти по-далеч от тази на Паули. […]

Празната чаша за кафе вече има достатъчно енергия, за да взриви цяла планета в стил Междузвездни войни, разбивайки я на парчета, които ще се разлетят с огромна скорост като шрапнели във всеки ъгъл на Вселената. И правейки това повече от 100 милиарда пъти, ще унищожат всички планети в галактиката.

Но не трябва да спираме до тук. Сблъсъците в ЦЕРН определят само границата на експерименталната физика, която се определя от размера на финансирането и технологиите. Но самата физика не спира дотук. Тя продължава по-нататък . Довежда ни до ръба, точката, в която започват да изчезват всички представи за пространство и време. Парченцата от пъзела се оказват с размерите на дължината на Планк, повече от милион милиарда пъти по-малки от границата на съвременните експерименти. Последствията за вакуума са ужасни. Частиците в празното пространство се появяват и изчезват с времето на Планк на всеки 10–35 секунди. […] Във всеки литър празно пространство трябва да открием гугол гига джаула енергия. Уау! Във всяка кафеена чаша вакуум има достатъчно енергия, за да унищожи всяка планета в наблюдаваната вселена отново и отново, унищожавайки всичко повече от трилион трилион трилион трилион пъти.

Изпитвате ли страх, осъзнавайки, че тези колосални енергии могат да са навсякъде около вас и дори вътре във вас, в празното пространство между вашите атоми? Как се живее с това чудовище вътре?

Истината е, че без гравитация няма за какво да се тревожим. Няма значение колко енергия е скрита във вакуума. Ние не можем да я превърнем в оръжие и да използваме сили, способни да унищожават планети. В действителност ние изобщо не можем да използваме енергията на вакуума. Причината е, че тя навсякъде е еднаква. За да се случи нещо интересно, имате нужда от разлика в енергията , тоест градиент, а в случая с истинската базова вакуумна енергия просто няма разлика.

Но с гравитацията тя ще се развихри. С такова огромно количество енергия в празното пространство, една Вселена, която се подчинява на законите на Айнщайн, би била смачкана от собствената си тежест. Светът не само няма да „достигне луната“, както е казал Паули, но дори няма да достигне размера на атом.

Вакуумната енергия е вездесъща, непроменлива в пространството и времето. Ето защо понякога се нарича космологична константа. Като всяка енергия, тя огъва пространство-времето, в което живее. […] Ако трябваше да оценим енергията на вакуума с помощта на пъзел с размера, който Паули е избрал, този хоризонт щеше бъде на около 237 километра. Светът нямаше да достигне не само до Луната, но дори и до Международната космическа станция. Подобрявайки нашата оценка (правим парчетата от пъзела все по-малки), хоризонтът се приближава. За парчета от пъзел с размер дължината на Планк, хоризонтът е точно пред вас, примерно на около дължината на Планк. Това е Вселената, победена от пустотата, стисната и смачкана под тежестта на това нищо. Но това не е нашата Вселена.

Загадката на съвременната физика

Огледайте се. […] Нашата Вселена бавно се ускорява, нещо невидимо раздалечава далечните галактики. Наричаме го тъмна енергия, но това е просто термин.

Физиците имат популярна хипотеза, че това налягане на вакуума е енергията на нулевата точка, скрита в празното пространство. Това налягане обаче е изключително слабо. За да съответства на скоростта, с която далечните галактики се отдалечават от нас, енергията на пустотата трябва да бъде разпределена доста икономично – по-малко от една трилионна част от джаула на всеки литър пространство. Чаша за кафе, пълна с истински вакуум, не съдържа достатъчно енергия, за да унищожи планетата или да изпари океаните. В действителност ще ви трябва енергия от поне 10 000 чаши, само за да смачкате най-малкото насекомо на планетата Mymaridae.

Това е объркващо. Квантовата теория на полето — микроскопичното описание на частиците и полетата — често се нарича най-точната теория в човешката история и има защо. Някои от нейните прогнози са тествани и потвърдени с точност до една част от трилион. И тук трябва да отбележим, че истинската стойност на плътността на енергията на вакуума е 10⁻¹²⁰ от стойността, предвидена от тази забележителна теория. Ако сте написали 10⁻¹²⁰ като десетична дроб, величината ще изглежда като два реда 0 след десетичната запетая и една едиичка на края.

Както знаем, подобно разминаване между очакване и реалност не може да се появи в природата без много основателна причина. И така, защо тя се е появила? […] Разбира се, ние трябва да сме благодарни за тази ситуация. Ако нашите прогнози се окажеха верни, Вселената щеше да бъде сгъната и разбита от гравитацията, превръщайки се в космическо джудже, с незначителни размери в пространството и времето и неспособна да поддържа звездите и планетите, необходими за съществуването на разумен живот. Нашите прогнозите обаче не се сбъдват. Имаме късмета да живеем в огромна, стара вселена, където енергията на вакуума е 10⁻¹²⁰ от очакваното, където има едно малко число, което ние просто не разбираме.

Това е най-объркващото число във фундаменталната физика, зашеметяващо несъответствие между съвременните изчисления и реалността, която виждаме около нас.