Nautilus: поразительная пустота существования

Первые ученые не знали этого, но теперь знаем мы: пустота во Вселенной жива, пишет Поль М. Саттер в Nautilus. (Ниже перевод theidealist.ru):
В 1654 году немецкий ученый и политик по имени Отто фон Герике должен был быть занят работой мэра Магдебурга. Но вместо этого он устраивал демонстрацию для лордов Священной Римской империи. С помощью своего новомодного изобретения, вакуумного насоса, он выкачал воздух из медной сферы, состоящей из двух полушарий. Затем две команды лошадей, по 15 человек в каждой, попытались раздвинуть полушария. К изумлению королевских зрителей, лошади не смогли разделить полушария из-за непреодолимого давления атмосферы вокруг них.
Фон Герике стал одержим идеей вакуума после того, как узнал о недавней и радикальной идее гелиоцентрической Вселенной: космоса с Солнцем в центре и планетами, вращающимися вокруг него. Но чтобы эта идея работала, пространство между планетами должно было быть заполнено пустотой. Иначе трение замедлило бы движение планет.
Вакуум поет для нас, это гармония, лежащая в основе самой реальности.
Ученые, философы и теологи по всему миру тысячелетиями спорили о существовании вакуума, и вот фон Герике и куча лошадей доказывают, что он существует. Но идея вакуума оставалась неуютной и признавалась с неохотой. Мы могли бы искусственно создать вакуум при достаточной смекалке здесь, на Земле, но природа отвращалась от этой идеи. Ученые нашли компромисс: пространство космоса было заполнено пятым элементом, эфиром, веществом, которое не обладало особыми свойствами, но определенно не было ничем.
Однако с приходом квантовой и космологической революций 20-го века ученые так и не нашли этот эфир и продолжали искать его с пустыми руками.
Чем больше мы искали, используя все более мощные телескопы и микроскопы, тем больше мы ничего не находили. В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что туманность Андромеды на самом деле является галактикой Андромеды — островным домом миллиардов звезд, расположенным на расстоянии 2,5 миллиона световых лет. Насколько мы могли судить, все эти одинокие световые годы были заполнены совсем немногочисленными звездами, лишь случайными потерянными атомами водорода или блуждающими фотонами. По сравнению с относительно небольшими размерами самих галактик (наш собственный Млечный Путь простирается всего на 100 000 световых лет), во Вселенной, казалось, доминировала пустота.
В субатомных масштабах ученые также обнаружили, что атомы удивительно пусты. Если изменить масштаб атома водорода так, чтобы его ядро было размером с баскетбольный мяч, то ближайший электрон будет находиться на расстоянии около двух миль. И между ними не будет ни одного одинокого субатомного булыжника.
Ничего. Абсолютно ничего. Продолжение экспериментов и наблюдений только подтвердило, что в больших и малых масштабах мы живем в пустом мире.
А затем эта пустота раскрылась. Внутри пустоты, которая доминирует над объемом атома и объемом Вселенной, физики обнаружили нечто. Далеко не спокойный эфир прошлых лет, это нечто достаточно сильно, чтобы разорвать нашу Вселенную на части. Пустота, оказывается, жива.
В декабре 2022 года международная группа астрономов опубликовала результаты своего последнего исследования галактик, и их работа подтвердила, что вакуум пространства-времени сеет хаос во всем космосе. Они обнаружили, что материя вносит лишь незначительный вклад в энергетический бюджет Вселенной. Вместо этого большая часть энергии в космосе содержится в вакууме, и эта энергия доминирует в будущей эволюции Вселенной.
Их работа является последней в череде открытий, продолжающихся уже более двух десятилетий. В конце 1990-х годов две независимые группы астрономов обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется, то есть наша Вселенная с каждым днем становится все больше и больше. Точная современная скорость расширения все еще вызывает споры среди космологов, но реальность ясна: что-то заставляет Вселенную двигаться. Это проявляется как отталкивающая гравитационная сила, и мы назвали ее темной энергией.
Фокус в том, что вакуум, впервые продемонстрированный фон Герике много веков назад, не так пуст, как кажется. Если бы вы взяли коробку (или, следуя примеру фон Герике, два полушария) и удалили из нее все, включая все частицы, весь свет, все, что угодно, вы не остались бы, строго говоря, ни с чем. Остался бы только вакуум пространства-времени, который, как мы выяснили, является самостоятельной сущностью.
Ничто содержит в себе всё
Мы живем в квантовой вселенной, во вселенной, где никогда нельзя быть полностью уверенным в чем-либо. В мельчайших масштабах субатомные частицы шипят и всплывают, ненадолго попадая в мир живых, а затем возвращаются туда, откуда пришли, исчезая из реальности, прежде чем у них появляется шанс осмысленно взаимодействовать с чем-либо еще.
Это явление имеет различные названия: квантовая пена, пространственно-временная пена, флуктуации вакуума. Эта пена представляет собой фундаментальную энергию самого вакуума пространства-времени, голый уровень, на котором происходят все остальные физические взаимодействия. На языке квантовой теории поля, появившейся в результате брака квантовой механики и специальной теории относительности, квантовые поля, представляющие все виды частиц, пропитывают вакуум пространства-времени, как корочка хлеба, обмакнутая в масло и уксус. Эти поля не могут не вибрировать на фундаментальном, квантовом уровне. С этой точки зрения, вакуум поет для нас — гармония, лежащая в основе самой реальности.
В наших самых передовых квантовых теориях мы можем рассчитать энергию, содержащуюся в вакууме, и она бесконечна. То есть в каждом кубическом сантиметре пространства и времени содержится бесконечное количество энергии, объединенной усилиями всех этих бесчисленных, но шипящих частиц. Это не обязательно является проблемой для привычной нам физики, потому что все взаимодействия повседневного опыта происходят "поверх" (за неимением лучшего термина) этой бесконечной башни энергии — это просто делает математику очень сложной.
Все это было бы математически раздражающим, но в остальном ничем не примечательным, за исключением того факта, что в общей теории относительности Эйнштейна энергия вакуума обладает любопытной способностью генерировать отталкивающую гравитационную силу. Обычно мы никогда не замечаем таких эффектов, потому что энергия вакуума подавляется всей нормальной массой внутри него (в случае фон Герике доминирующей силой было атмосферное давление, окружающее его полушария). Но на самых больших масштабах во Вселенной так много необработанного небытия, что эти эффекты проявляются в виде ускоренного расширения. Последние исследования показывают, что около 5 миллиардов лет назад материя во Вселенной разбавилась до такой степени, что на первый план вышла темная энергия. Сегодня она составляет примерно 70 процентов всего энергетического бюджета космоса. Исследования показали, что в настоящее время темная энергия разрывает крупномасштабную структуру Вселенной, разрывает суперкластеры галактик и распутывает космическую паутину на наших глазах.
Но ускорение не такое уж и быстрое. Когда мы рассчитываем, сколько энергии вакуума необходимо для создания эффекта темной энергии, мы получаем лишь небольшое число.
Но наше квантовое понимание энергии вакуума говорит, что она должна быть бесконечной или, по крайней мере, невероятно большой. И уж точно не маленькой. Это несоответствие между теоретической энергией вакуума и наблюдаемым значением является одной из величайших загадок современной физики. И это приводит к вопросу о том, что еще может скрываться в огромном небытии наших атомов и нашей Вселенной. Возможно, фон Герике был прав с самого начала. "Ничто содержит в себе все вещи" — писал он. "Оно драгоценнее золота, не имеет начала и конца, более радостно, чем восприятие обильного света, более благородно, чем кровь королей, сравнимо с небесами, выше звезд, более могущественно, чем удар молнии, совершенно и благословенно во всех отношениях". Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Институте передовых вычислительных наук Университета Стоуни Брук и приглашенный исследователь Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Он является автором книги "Ваше место во Вселенной: Понимание нашего большого, беспорядочного существования".