Следовательно, виртуальные частицы существуют.
Как ни трудно тягаться с потрясающей точностью, которая доступна физике атомов, виртуальные частицы играют ключевую роль и в другой области, которая, вероятно, ближе к теме нашей книги. Оказывается, они составляют львиную долю вашей массы, как и массы всего видимого вещества во Вселенной.
Одним из огромных шагов в понимании фундаментального устройства вещества, сделанных в 1970-е гг., стало создание теории, которая точно описывает взаимодействие кварков. Кварки – это частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, а они, в свою очередь, составляют основу вещества, из которого сделаны и вы сами, и все, что вы видите. За этой теорией стоит сложная математика, и потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были разработаны приемы, позволяющие с ней работать, особенно в режиме, когда сильное взаимодействие между кварками становится существенным. Были предприняты титанические усилия, в частности ученые создали сложнейшие компьютеры с параллельной обработкой данных, в которых одновременно задействованы десятки тысяч отдельных процессоров, а все ради того, чтобы рассчитать фундаментальные свойства протонов и нейтронов – частиц, которые (в отличие от кварков) мы можем зарегистрировать непосредственно.
В результате всех этих трудов мы теперь хорошо представляем, как выглядят внутренности протона. Там, скорее всего, содержится не только три кварка, но и еще много всякой всячины. В частности, в нем то и дело возникают и исчезают виртуальные частицы, соответствующие полям и частицам, которые переносят сильное взаимодействие между кварками. Вот схематическое изображение того, как все это выглядит. Это, конечно, не настоящая фотография, а просто художественная прорисовка по математическим законам, управляющим динамикой кварков и полей, которые их связывают. Причудливые формы и оттенки тени соответствуют силе полей, которые взаимодействуют друг с другом и с кварками внутри протона, где все время спонтанно возникают и исчезают виртуальные частицы.
Протон постоянно наполнен этими виртуальными частицами, и когда мы пытаемся оценить, какую долю массы протона они составляют, то оказывается, что кварки дают очень мало общей массы, а поля, созданные виртуальными частицами, составляют основную часть энергии покоя протона, следовательно – основную часть его массы покоя. Это же относится и к нейтрону, а значит, и к вам, поскольку вы состоите из протонов и нейтронов!
Итак, если мы можем рассчитать воздействие виртуальных частиц на пустое во всех остальных отношениях пространство внутри атомов и вокруг них, а также воздействие виртуальных частиц на пустое во всех остальных отношениях пространство внутри протонов, то почему бы нам не рассчитать эффекты от виртуальных частиц в по-настоящему пустом пространстве?
Видите ли, выполнить такой расчет гораздо сложнее. Дело в том, что когда мы рассчитываем влияние виртуальных частиц на атомы или на массу протона, то на самом деле вычисляем общую энергию атома или протона с учетом виртуальных частиц, потом вычисляем общую энергию, которую давали бы виртуальные частицы без атома или протона (то есть в пустом пространстве), и только потом вычитаем одно из другого, чтобы получить чистое воздействие на атом или протон. Мы так делаем, потому что, оказывается, если попытаться решить соответствующие уравнения, обе эти энергии получаются, строго говоря, бесконечными, но, если вычесть одну из другой, получится конечная разность, более того, она в точности соответствует измеряемому значению!
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.
