Вечность. В поисках окончательной теории времени

Пока в наших обсуждениях квантовых полей мы делали акцент на том, что вибрации этих полей порождают частицы. Если поле везде постоянно, а вибрации отсутствуют, то мы и не видим никаких частиц. Если бы нас беспокоили исключительно частицы, то фоновое значение поля — среднее значение, которое оно принимает, если вообразить, что все вибрации сглажены, — не играло бы никакой роли, так как оно не поддается непосредственному наблюдению. Однако фоновое значение поля можно измерить косвенно: в частности, оно способно нести энергию и, следовательно, влиять на кривизну пространства—времени.

Энергия, связанная с полем, может возникать разными способами. Обычно она связана с тем, что от одной точки пространства—времени к другой поле меняется; это энергия растяжения, соответствующая меняющимся значениям поля, подобно тому как существует энергия, связанная со скручиваниями и вибрациями резинового листа. Но в дополнение к этому поля способны обладать энергией даже тогда, когда они просто принимают постоянное значение, без каких-либо колебаний. Такой тип энергии, соответствующий самому значению поля, а не его изменениям от одной точки пространства к другой или от одного момента времени к другому, называется потенциальной энергией. Совершенно плоский резиновый лист обладает большей энергией тогда, когда он поднят высоко над землей, чем в том случае, когда он лежит на ее поверхности; мы знаем это, потому что можем извлечь эту энергию, взяв лист и бросив его вниз. Потенциальная энергия может быть преобразована в другие виды энергии.

В ситуации с резиновым листом (или с любым другим объектом, находящимся в гравитационном поле Земли) потенциальная энергия ведет себя достаточно прямолинейно: чем выше мы подняли объект, тем выше его потенциальная энергия. Однако с полями все намного сложнее. Если вы изобретаете новую теорию физики элементарных частиц, то вам необходимо задать зависимость потенциальной энергии от значения каждого поля. Базовых правил, которыми вы могли бы руководствоваться, не так много; просто каждому возможному значению каждого поля присваивается некоторое значение потенциальной энергии, и это часть формулировки теории. На рис. 14.6 показан пример потенциальной энергии какого-то гипотетического поля как функции значения поля.

^{Рис. 14.6. Изменение потенциальной энергии в зависимости от фонового значения какого-то гипотетического поля, например инфлатона. Поля стремятся к тому, чтобы скатываться в нижние точки энергетической кривой; на данном графике точки A, B и C представляют разные фазы, в которых может находиться вакуум. Самое низкое значение энергии в фазе B, так что это «истинный вакуум», тогда как A и C — это «ложные вакуумы»}

Поле, у которого нет ничего, кроме потенциальной энергии (ни вибраций, ни движения, ни скручивания), просто существует, не изменяясь. Следовательно, его потенциальная энергия на кубический сантиметр остается постоянной, даже если Вселенная расширяется. Мы понимаем, что это значит: это энергия вакуума. (Точнее, это один из многих возможных вкладов в полную энергию вакуума.) Поле можно представлять себе как мяч, катящийся вниз по склону холма; он стремится к тому, чтобы остановиться в покое во впадине между холмами, где значение энергии ниже всего, — по крайней мере, ниже, чем любое другое соседнее значение. Разумеется, возможны и другие значения поля, которым соответствует еще более низкая энергия, но эти, более глубокие «впадины» разделены «холмами». На рис. 14.6 поле может счастливо жить при любом значении: A, B или C, но только в точке B энергия на самом деле минимальна. Значения A и C известны как «ложные вакуумы», и они кажутся состояниями с самой низкой энергией лишь тогда, когда для сравнения вы берете только соседние значения. «Истинный вакуум», где энергия на самом деле меньше всего, — это B. (Для физика «вакуум» — это не упражнение для укрепления брюшного пресса и даже не обязательно «пустое пространство». Это просто «состояние теории с самой низкой энергией». Посмотрите на кривую потенциальной энергии для какого-то поля: дно каждой впадины соответствует отдельному вакуумному состоянию.)