Когда люди слышат слово «вакуум», они обычно представляют абсолютную пустоту. Пространство без материи, без частиц, без энергии.

Но современная физика говорит обратное — вакуум вовсе не пуст.

Даже если убрать из пространства все частицы, поля и излучение, там все равно останется энергия. Ее называютэнергией вакуумаилинулевой энергией.

И вот здесь начинается одна из самых странных загадок современной физики.

Теоретические расчеты показывают — энергия вакуума должна быть огромной. Настолько огромной, что Вселенная должна была бы разорваться на части почти сразу после рождения.

Но наблюдения показывают противоположное.

Реальная энергия вакуума оказалась крошечной.

Насколько крошечной? Разница между расчетами квантовой теории и наблюдаемым значением достигает примерно10¹²⁰ раз.

Это одна из самых больших несостыковок между теорией и экспериментом в истории науки.

2. Откуда вообще берется энергия вакуума

В квантовой физике пустое пространство никогда не бывает полностью спокойным.

Даже в состоянии минимальной энергии в нем постоянно возникают так называемыеквантовые флуктуации.

Это короткоживущие пары частиц и античастиц, которые появляются и исчезают за крайне малое время.

Они не могут существовать долго из-за закона сохранения энергии, но квантовая механика позволяет им «одалживать» энергию на очень короткие интервалы.

Эти процессы происходят повсюду.

Даже прямо сейчас вокруг нас пространство кипит такими микроскопическими флуктуациями.

Если сложить энергию всех этих процессов, получается ненулевая энергия вакуума.

3. Теоретический прогноз оказался чудовищно большим

Когда физики попытались вычислить плотность энергии вакуума с помощью квантовой теории поля, они получили невероятное число.

Настолько большое, что если бы оно было верным, гравитационный эффект этой энергии должен был бы мгновенно разорвать пространство.

Вселенная расширялась бы с колоссальной скоростью.

Никакие галактики, звезды и планеты просто не смогли бы сформироваться.

Но мы наблюдаем обратное.

Расширение Вселенной существует, но оно гораздо медленнее.

4. Темная энергия — возможное проявление вакуума

В конце XX века астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.

Этот эффект объяснили существованиемтемной энергии.

Сегодня считается, что она составляет примернооколо 70 процентов всей энергии космоса.

Один из наиболее популярных вариантов объяснения — темная энергия может быть связана именно с энергией вакуума.

Но здесь возникает проблема.

Если темная энергия действительно является вакуумной энергией, то ее значение оказалось невероятно маленьким по сравнению с тем, что предсказывает квантовая теория.

5. Космологическая постоянная

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности дополнительный параметр —космологическую постоянную.

Она описывает энергию самого пространства.

Именно эта величина сегодня используется для описания темной энергии.

Но ее наблюдаемое значение чрезвычайно мало.

Фактически космологическая постоянная примерно равна

10⁻¹²² в единицах планковской энергии.

Это почти ноль по меркам фундаментальной физики.

6. Почему это огромная проблема

Разница между расчетами квантовой теории и наблюдаемой космологической постоянной настолько велика, что физики называют еепроблемой космологической постоянной.

Если перевести это на простой язык, получается странная ситуация.

Теория говорит — вакуум должен содержать огромное количество энергии.

Наблюдения говорят — почти никакой.

Это означает, что в нашем понимании фундаментальной физики чего-то не хватает.

7. Возможные объяснения

Существует несколько гипотез, которые пытаются объяснить малость энергии вакуума.

Компенсация квантовых вкладов

Возможно, различные поля Вселенной дают вклады в вакуумную энергию, которые почти полностью компенсируют друг друга.

Но пока не найдено механизма, который объяснил бы такую точную компенсацию.

Новая физика

Некоторые теории предполагают существование еще неизвестных физических принципов, которые ограничивают значение вакуумной энергии.

Например, такие идеи возникают в теориях суперсимметрии или квантовой гравитации.

Но экспериментальных подтверждений пока нет.

Антропный принцип

Есть и более философская идея.

Если существует огромное количество вселенных с разными значениями космологической постоянной, то наблюдатели могут появиться только в тех, где энергия вакуума достаточно мала.

В противном случае галактики просто не успели бы сформироваться.

8. Малость вакуумной энергии сделала возможным существование космоса

Как ни парадоксально, именно крошечное значение энергии вакуума могло сыграть решающую роль в судьбе Вселенной.

Если бы она была больше хотя бы в тысячу раз, расширение космоса стало бы настолько быстрым, что материя не успела бы собраться в галактики.

Если бы наоборот была отрицательной и слишком большой по модулю — Вселенная могла бы схлопнуться.

Но значение оказалось почти идеально малым.

Именно поэтому спустя миллиарды лет после Большого взрыва существуют галактики, звезды и планеты.

А значит — существует возможность задавать один из самых странных вопросов современной космологии.

Почему энергия пустоты почти равна нулю?