Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Строго говоря, проблема космологической постоянной не является конфликтом между теорией и наблюдениями. У нас нет никакого надежного теоретического прогноза относительно того, какой должна быть энергия вакуума. Столь неверная оценка связана с двумя сомнительными допущениями: во-первых, мы считаем, что классический вклад в энергию вакуума равен нулю, а во-вторых, производим обрезание на планковском масштабе. Вполне возможно, что классический вклад в эту величину, из которого следует исходить, практически так же велик, как и квантовый, но только по модулю. И сложив две эти величины, мы получим наблюдаемую «физическую» энергию вакуума, значение которой окажется относительно небольшим. Просто мы понятия не имеем, почему такое предположение может быть верным.

Проблема не в том, что теория не согласуется с наблюдениями, а в том, что наши грубые оценки очень далеки от истины, и большинству кажется – это потому, что мы не учитываем какой-то таинственный фактор. Поскольку энергия считается чисто квантовомеханическим эффектом, а мы измеряем ее, исходя из ее гравитационного воздействия, вполне возможно, что мы не решим эту проблему, пока не получим рабочую теорию квантовой гравитации.

⚪ ⚪ ⚪

В научно-популярных рассуждениях о квантовой теории поля часто говорят, что вакуум полон «квантовых флуктуаций» или даже что «частицы рождаются прямо в пустом пространстве». Эта картина наглядная, но скорее ложная, чем истинная.

В пустом пространстве, которое описывает вакуум квантовой теории поля, ничто вообще не флуктуирует. Квантовое состояние абсолютно стационарно. Представление о частицах, которые рождаются из ничего, совершенно не соответствует реальности, в которой состояние в один момент времени абсолютно не отличается от состояния в любой другой момент. Несомненно, в энергии пустого пространства присутствует и сугубо квантовая доля, но ошибочно говорить, что данная энергия является следствием «флуктуаций», если на самом деле такие флуктуации отсутствуют. Система мирно пребывает в квантовом состоянии с минимальным уровнем энергии.

Почему же тогда физики только и говорят о квантовых флуктуациях? Это все тот же феномен, о котором мы уже говорили: так уж устроены люди, что нам неодолимо хочется считать реальным именно то, что мы видим, несмотря на то что квантовая механика позволяет нам понимать гораздо глубже. Теории со скрытыми переменными – наш «прогиб» именно в этом направлении, ведь в них признается реальность не гладко эволюционирующей волновой функции, а иных составляющих.

Эвереттовская квантовая механика ясна: пустое пространство описывается стационарным и неизменным квантовым состоянием, где в каждый отдельный момент ничего не происходит. Но если присмотреться как следует к результатам измерения квантового поля в некоторой небольшой области пространства, то мы увидим полную сумятицу. А если посмотрим туда же через секунду – мы увидим уже иную сумятицу. В таком случае ужасно тянет заключить, что в пустом пространстве что-то движется, даже если мы на это не смотрим. Но на самом деле все иначе. Здесь мы видим проявление феноменов, о которых рассуждали в контексте принципа неопределенности: при рассмотрении квантового состояния мы обычно видим что-то совсем не похожее на состояние, существовавшее до начала наблюдения.

Чтобы прояснить этот момент, давайте представим измерение, более осуществимое с экспериментальной точки зрения. Будем измерять не значение поля в каждой его точке, а общее количество частиц, присутствующих в вакуумном состоянии квантовой теории поля. В идеальном мире, какой бывает в мысленных экспериментах, можно представить, что такой эксперимент проводится во всем пространстве одновременно. Поскольку, по условиям эксперимента, мы находимся в самом низкоэнергетическом состоянии, неудивительно, что мы нигде не обнаружим никаких частиц, – это абсолютно точно. Пространство пустое. Но в реальном мире мы вынуждены проводить такой эксперимент в конкретной области пространства, например в нашей лаборатории, задаваясь вопросом, сколько же частиц именно в этой области пространства. Какой ответ мы получим?

Вопрос кажется несложным. Если нигде в пространстве никаких частиц нет, то мы определенно не увидим частиц и в нашей лаборатории, верно? Увы, нет. Квантовая теория поля устроена иначе. Даже в вакуумном состоянии, если экспериментальное зондирование проводится в некоторой ограниченной области пространства, всегда существует небольшая вероятность наблюдать одну или даже несколько частиц. Как правило, эта возможность будет крайне невелика и на самом деле не должна волновать нас при постановке реалистичного эксперимента, – но она будет. Верно и обратное: найдутся такие квантовые состояния, в которых локальный эксперимент не выявит никаких частиц, но в целом у таких состояний будет более высокая энергия, чем у вакуумного состояния.