Для многих исследователей открытие ненулевой космологической постоянной стало самым удивительным наблюдательным результатом, о котором они когда-либо слышали.
Объяснение нуля
Когда я впервые столкнулся с данными по сверхновым, предполагающими ненулевое значение космологической постоянной, моя реакция была типичной для многих физиков. «Этого просто не может быть!» Большинство (но не все) теоретиков давно пришли к выводу, что значение космологической постоянной равно нулю. Такая точка зрения изначально возникла из истории про «самую большую ошибку Эйнштейна», но со временем возникло множество убедительных аргументов в её поддержку. Самый сильный основан на принципе квантовой неопределённости.
В силу квантовой неопределённости и сопутствующих флуктуаций, присущих всем квантовым полям, даже в пустом пространстве происходит неистовая микроскопическая активность. Подобно атомам, сталкивающимся со стенками сосуда, или детям, прыгающим по детской площадке, квантовые флуктуации обладают определённой энергией. Однако, в отличие от атомов и детей, квантовые флуктуации повсеместны и неизбежны. Нельзя объявить, что некоторая область пространства закрыта и отправить все квантовые флуктуации домой; энергия, присущая квантовым флуктуациям, пронизывает всё пространство и не может быть удалена. Поскольку космологическая постоянная есть не что иное, как энергия, пронизывающая пространство, то квантовые флуктуации являются именно тем микроскопическим механизмом, который порождает космологическую постоянную. Осознание этого факта имеет первостепенное значение. Вспомните, когда Эйнштейн ввёл понятие космологической постоянной, он сделал это абстрактно — не уточняя, чем она может быть на самом деле, откуда она может появиться и какое иметь происхождение. Установление связи с квантовыми флуктуациями сделало неизбежным возникновение космологической постоянной: если бы Эйнштейн её не придумал, то кто-нибудь другой, знакомый с квантовой физикой, обязательно бы сделал это. Как только мы принимаем во внимание квантовую механику, мы сталкиваемся с энергией полей, однородно распределённой в пространстве, что напрямую приводит нас к понятию космологической постоянной.
Вопрос только в численном значении. Сколько энергии содержится в вездесущих квантовых дрожаниях? Когда теоретики проделали соответствующие вычисления, получившийся ответ оказался довольно нелепым: в любом объёме пространства должно присутствовать бесконечное количество энергии. Чтобы понять почему, представьте квантовые дрожания поля внутри пустой коробки произвольного размера. На рис. 6.3 показаны примерные профили квантовых флуктуаций. Каждая флуктуация даёт вклад в энергию поля (чем короче длина волны, тем быстрее скорость флуктуации, следовательно, выше энергия). Поскольку существует бесконечно много возможных волновых профилей, у каждого из которых длина волны меньше, чем у предыдущего, то полная энергия квантовых флуктуаций бесконечна.
…
Рис. 6.3. Существует бесконечно много волновых профилей в любом конечном объёме, следовательно, бесконечно много различных квантовых дрожаний. Это приводит к проблемному выводу о бесконечности энергии
И хотя совершенно очевидно, что такой вывод неприемлем, учёные не особо из-за этого переживали, потому что распознали в этой ситуации отражение хорошо известной проблемы, которую мы обсуждали ранее: противоречие между гравитацией и квантовой механикой. Всем было известно, что нельзя доверять выводам квантовой теории поля на супермалых расстояниях. Квантовые дрожания с длиной волны порядка планковской длины, 10 сантиметра и меньше, имеют энергию (эквивалентно, массу по формуле m = E/c) настолько большую, что начинает играть роль гравитационное взаимодействие. Для адекватного описания квантовых флуктуаций необходимо иметь теорию, совмещающую общую теорию относительности и квантовую механику. Идейно это приводит к теории струн или к любой другой квантовой теории, включающей гравитацию. Но немедленный и более прагматичный ответ состоял в том, чтобы просто пренебречь всеми квантовыми флуктуациями на расстояниях меньше планковской длины. Если этого не сделать, то наши вычисления, очевидно, выйдут за пределы применимости квантовой теории поля. Ожидалось, что когда-нибудь мы поймём теорию струн или квантовую гравитацию настолько хорошо, что сможем проводить вычисления с учётом квантовых флуктуаций, но пока в качестве временной меры предлагалось поместить самые быстрые флуктуации на математический карантин. Смысл этой директивы прозрачен: если проигнорировать флуктуации с длиной волны короче, чем планковская длина, их останется лишь конечное число, поэтому энергия в пустом пространстве будет тоже конечной.
Это уже прогресс. По меньшей мере такой трюк отодвигает проблему под ответственность будущих открытий, которые, постучим по столу, смогут приручить супермалые длины волн квантовых флуктуаций. Но даже при таком отсечении для энергии конечных квантовых флуктуаций всё равно получился гигантский ответ, примерно 10 грамм на кубический сантиметр. Это намного больше, чем все звёзды во всех известных галактиках, сжатые до размера напёрстка. Рассматривая бесконечно малый кубик с ребром, равным планковской длине, приходим к выводу, что эта колоссальная плотность составляет 10 грамма на куб планковской длины, или 1 планковская масса на планковский объём (именно поэтому такие единицы измерений как килограммы для картофеля и секунды для ожидания являются естественным и разумным выбором). Космологическая постоянная такой величины приведёт к невообразимо быстрому взрыву, так что всё, начиная с галактик и кончая отдельными атомами, просто разорвёт в клочья. С количественной стороны астрономические наблюдения установили жёсткий предел на то, как велика может быть космологическая постоянная, если она вообще существует, а теоретические результаты превысили этот предел на умопомрачительный множитель, больше чем на сотни порядков величины. Хотя большая энергия, заполняющая пространство, лучше, чем бесконечная, физики осознали отчаянную необходимость радикально уменьшить результат своих вычислений.