Худшее предсказание науки: как самая точная теория ошиблась на 120 порядков

Квантовая электродинамика способна рассчитывать свойства микромира с фантастической точностью — до двенадцати знаков после запятой. Чтобы ощутить этот масштаб, вообразите измерение расстояния от Земли до Луны с погрешностью, которая не превышает толщину человеческого волоса. Но когда исследователи попытались применить её для вакуума, теоретическое предсказание разошлось с реальными наблюдениями на 120 порядков. Это число, превосходящее количество всех атомов в наблюдаемой Вселенной. Рассказываем, почему так произошло и что это значит для будущего науки и Вселенной.

Что такое квантовый вакуум

В рамках классической физики вакуум считался абсолютной пустотой, полностью лишённой материи и полей. Однако квантовая теория кардинально переписала эти правила, доказав, что настоящей пустоты не существует в принципе.

Фундаментом здесь служит принцип неопределённости Гейзенберга. Этот квантовый закон строго запрещает любому полю одновременно иметь нулевую энергию и находиться в состоянии абсолютного покоя. Из-за этого квантовый вакуум непрерывно флуктуирует. В нём спонтанно рождаются и мгновенно исчезают пары виртуальных частиц и античастиц.

Это не математическая уловка, а физическая реальность, которую доказывает эффект Казимира. Если поместить в глубокий вакуум две незаряженные металлические пластины на микроскопическом расстоянии, они начнут притягиваться. Виртуальные фотоны снаружи давят на эти пластины сильнее, чем из узкого зазора между ними, создавая реальную физическую силу.

Откуда взялось гигантское число

Чтобы рассчитать суммарную плотность энергии вакуума, физикам потребовалось сложить минимальные энергии нулевых колебаний всех квантовых полей в единице объёма. Но поскольку волновое число гипотетически может расти безгранично, математический расчёт устремляется в бесконечность.

Чтобы избавиться от бесконечности, учёные ограничили формулу планковской длиной — расстоянием, на котором классические законы пространства-времени рушатся, а теория относительности становится бесполезной. Но даже после такого «обрезания» плотность вакуумной энергии получилась невообразимой. Масса всего одного кубического сантиметра такого пустого пространства превзошла бы общую массу всей обозримой Вселенной.

Они знали заранее: 8 предсказаний фантастов, которые стали реальностью

Что говорит Вселенная

Ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн добавил в уравнения гравитации космологическую постоянную (лямбду) в качестве стабилизатора, чтобы получить модель стационарной Вселенной. Позднее, когда астрономы доказали факт расширения космоса, физик отказался от этой величины. Ходит популярный миф, что он назвал это своей «величайшей глупостью», хотя исторические архивы показывают, что он считал саму концепцию скорее теоретически уродливой.

Но в 1998 году наблюдения за сверхновыми доказали, что пространство Вселенной расширяется с ускорением. Космологическая константа вернулась, чтобы описать тёмную энергию — силу антигравитации.

Глубокий космос. Свет от галактик, изображённых на этом снимке, шёл до Земли 13 миллиардов лет

Астрофизики точно измерили реальную плотность тёмной энергии, и она оказалась крошечной. Именно сопоставление этой крошечной наблюдаемой величины с гигантским теоретическим расчётом породило «вакуумную катастрофу» и разницу в 120 порядков.

Что было бы, если бы квантовая теория была права

Если бы расчёты квантовой теории поля стопроцентно отражали гравитационную реальность, мир разорвало бы на части за долю секунды.

При расчётной планковской плотности скорость расширения пространства росла бы экспоненциально. Масштаб Вселенной удваивался бы каждые десять в минус сорок третьей степени секунды. Такое агрессивное расталкивание преодолело бы любые силы связи.

В таком мире протоны и нейтроны просто не успели бы собраться в ядра, а звёзды и галактики никогда бы не сформировались. Вселенная осталась бы абсолютно холодной и пустой бездной.

Как физики пытаются спасти науку

Физики-теоретики ищут выход из этого тупика, и на передовой находятся три основные концепции.

Суперсимметрия

Эта гипотеза предполагает, что каждой известной частице соответствует невидимый тяжёлый партнёр. Бозоны вкладывают в энергию вакуума плюс, а фермионы — минус. В идеальной модели они взаимно уничтожаются в ноль. Из-за того, что в нашем мире симметрия нарушена, остаётся лишь ничтожный излишек энергии. Проблема в том, что эксперименты на Большом адронном коллайдере пока не выявили никаких следов этих суперпартнёров даже на сверхвысоких энергиях.

Большой адронный коллайдер

Антропный принцип

Физик Стивен Вайнберг предложил элегантное логическое решение. Теория струн допускает существование бесчисленного количества параллельных вселенных, где уровень вакуумной энергии выпадает случайно. В таком случае люди находятся именно в той редкой Вселенной, где этот параметр оказался достаточно мал, чтобы гравитация смогла слепить галактики и планеты. В мирах с колоссальным расталкиванием просто некому появиться, чтобы задать вопрос об энергии вакуума.

Квантовая гравитация

Существует вероятность, что учёные применяют неправильный аппарат. Возможно, на микроуровне вакуум действительно яростно кипит, но гравитация игнорирует эти колебания. Микроскопические флуктуации взаимно гасят друг друга, а в макромасштабе пространство-время остаётся ровным и стабильным.

Самая прекрасная ошибка в науке

Катастрофа со 120 нулями — это не крушение надежд, а невероятно ценный научный компас. В 1900 году «ультрафиолетовая катастрофа» — противоречие теорий, возникшее при описании теплового излучения абсолютно чёрного тела — уничтожила классическую электродинамику, но подарила человечеству квантовую механику.

Неспособность объединить микромир с гравитацией указывает на то, что за планковским пределом скрывается совершенно новая концепция. Именно этот парадокс прокладывает дорогу к истинной Теории всего.

Подписывайтесь на Рамблер в Max! Так мы останемся на связи даже в нестабильные времена.

Почему невозможно точно предсказать погоду больше чем на 2 недели