энергия вакуума

Вселенная иногда напоминает старую ткань: после быстрого остывания в ней могли остаться складки — тонкие, почти невидимые нити чудовищной плотности. Их называют космическими струнами. Обычно в центре такой струны прячется сингулярность — точка, где кривизна пространства-времени бесконечна, и законы физики теряют смысл.

Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота. Это скорее натянутая мембрана, которая постоянно колеблется от невидимых частиц, рождающихся и исчезающих. Даже в полной темноте эта мембрана дрожит. Физики решили посмотреть, как она поведёт себя вокруг тонкой сферической скорлупы, внутри которой — обычное плоское пространство, как у нас в комнате.

С тех пор как Сол Перлмуттер и его коллеги открыли ускоренное расширение Вселенной, физики ломают голову над природой тёмной энергии.

В первые мгновения жизни Вселенной не было даже намёка на тёмную энергию — ту самую силу, что сегодня расталкивает галактики всё быстрее. Но если заглянуть глубже, на уровень планковских масштабов (в миллиарды миллиардов раз мельче атомного ядра), пространство-время перестаёт быть гладким.

Взрыв далёкой сверхновой рассказал нам то, во что трудно поверить: мир расширяется всё быстрее. Двигателем этого ускорения служит тёмная энергия — почти 70% всего сущего.

История началась с нехватки массы. В 1930-х Фриц Цвикки, измеряя скорости в скоплениях галактик, первым заподозрил присутствие невидимого вещества. Позже Вера Рубин показала, что окраины спиральных галактик вращаются слишком быстро для видимой материи.

Вселенная расширяется с ускорением — словно тесто, которое поднимается всё быстрее, хотя дрожжи давно кончились. Двадцать лет астрономы ищут причину и называют её тёмной энергией. Но что это такое, остаётся загадкой. Новая работа предлагает неожиданный источник: вакуум внутри атомного ядра.

Космический вакуум — не пустота, а живой океан: его энергия вздымается и опадает, вторя расширению. Словно лунный прилив, плотность вакуума чутко откликается на темп Хаббла — дирижёрскую палочку Вселенной. Этот «бегущий вакуум» не застыл: в нём пульсируют квантовые флуктуации всех полей — от электронных до гипотетических вихрей Великого объединения.

Почти век астрономы наблюдают, как галактики вращаются, словно их удерживает невидимая масса. Первым это заметил Фриц Цвикки, изучая движение галактик в скоплении Кома, а Вера Рубин точно измерила скорости звёзд на окраинах спиральных галактик, обнаружив, что они остаются высокими, а не падают, как предсказывала видимая материя.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

Сразу после Большого взрыва пространство раздувалось с немыслимой скоростью — этот процесс называют инфляцией. Сегодня расширение Вселенной замедлилось, но галактики разбегаются всё быстрее.

Долгое время тёмная энергия — загадочная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — рассматривалась как фундаментальная константа, неизменная во времени и пространстве. Эту ситуацию можно сравнить с дрожжами, которые никогда не теряют своей активности.

Пространство-время иногда напоминает лист бумаги, в котором можно проделать дырку и соединить края короткой трубкой — получится кротовая нора. В самых простых математических моделях таких нор появляются безмассовые скалярные поля — нечто вроде невидимого тумана, заполняющего всё вокруг.

Загадка тёмной энергии — это пропасть. Квантовая теория поля предсказывает плотность в 10¹²⁰ раз больше наблюдаемой. В струнном ландшафте эта бездна обретает очертания — мириады вакуумов с разной энергией, и мы угнездились в одном из них.

Вселенная не терпит однообразия. Век назад Эдвин Хаббл и Жорж Леметр подарили нам элегантную картину: расширяющийся космос, гладкий, как поверхность натянутого шара.

Вселенная устроена как губка: в ней есть плотные области, набитые галактиками и газом, и гигантские поры — космические пустоты. Эти пустоты занимают большую часть пространства, но их содержимое оставалось загадкой — вещество там почти не проявляет себя.

На резиновый бублик натянута невидимая плёнка — квантовое поле. Пока бублик маленький, плёнка натянута ровно и нигде не провисает: вакуум остаётся пустым. Но стоит растянуть бублик до определённого размера, как в плёнке сама собой возникает вмятина — поле начинает ощущаться в каждой точке. Эта вмятина не случайна.

Пар, поднимающийся над горячим металлом, — привычное зрелище на кухне. Но если взять не воду, а рубидий, то такое облачко превращается в аккумулятор. Работает он не на химических реакциях, а на квантовой слаженности атомов. В эксперименте облачко пара с триллионом атомов рубидия (щелочной металл, похожий на натрий) поместили в стеклянную ячейку.

Попытка подавить фоновый шум комнаты добавлением противозвука оборачивается воем динамиков, если в схеме ошибка. Похожий сбой произошёл с теорией, которая бралась убрать главный гул космоса — необъяснимо слабую тёмную энергию.

Перепись населения, но вместо домов — галактики, а вместо жителей — звёзды. Астрономы решили сосчитать самые маленькие и тусклые «хутора» в нашем космическом районе — карликовые галактики. Они слабее Млечного Пути в тысячи раз, и найти их на снимках так же сложно, как разглядеть светлячка на фоне прожектора.

В стандартной космологической модели ΛCDM разбегание галактик объясняется действием тёмной энергии — гипотетической субстанции, работающей подобно невидимой пружине, расталкивающей пространство. Однако независимые методы измерения скорости расширения дают расходящиеся значения — словно у линейки сбита шкала.

Галактики разбегаются, но скорость расширения, измеренная по свечению после Большого взрыва и по взрывам сверхновых, не совпадает — эту проблему назвали хаббловским напряжением. Словно два танцора, которые сбиваются с ритма, потому что не чувствуют друг друга.

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.

Вселенная — это пирог, который готовят по одному рецепту, но чайная ложка и кухонные весы упорно показывают разное количество сахара. Так и с расширением Вселенной: измерения по близким звёздам (ложка) дают одно значение постоянной Хаббла, а по древнему свету Большого взрыва — реликтовому излучению (весы) — совсем другое.

Вселенная играет спектакль, и главная роль в нём отведена тёмной энергии. Долгое время казалось, что актёр неизменен: космологическая постоянная (энергия вакуума, ускоряющая расширение Вселенной) задавала один и тот же тон.

Сто лет назад квантовая механика подарила миру стройную картину: вращение частицы вокруг точки возможно лишь с определёнными порциями момента импульса — целыми числами, умноженными на постоянную Планка. Это правило казалось незыблемым, как закон тяготения, и выводилось из простых алгебраических соображений.