Найкраще і найгірше передбачення в науці

Скільки енергії в порожньому просторі?
- На кубічний сантиметр порожнього простору припадає 10¯⁸ (десять у мінус восьмому степені) ерга.
Ерг - це скільки?
- Це дуже мала величина. Знаєш..., якщо комар або муха махне крилами, то це енергія порядку 1 (одного) ерга. Тож, ерг - це зовсім небагато.
- Ми говоримо про одну стомільйонну ерга на кожен кубічний сантиметр простору.
Те, що абсолютно порожній простір містить енергію, може здаватися дивним, але є дві вагомі причини, чому вчені так вважають.
Перша - тому що Всесвіт розширюється з прискоренням, яке пов'язують з темною енергією.
Вона заповнює весь простір і діє ніби "антигравітація".
- Ми сприймаємо гравітацію як силу, що тягне об'єкти, але дія сили тяжіння насправді залежить від речовини й енергії, зв'язаної з простором: гравітація скоріше штовхає, а не тягне.
- Якщо це число, 10¯⁸ ерг/см³ (десять у мінус восьмому ергу на кубічний сантиметр), ви намагаєтеся узгодити з даними, то легко отримуєте темну енергію, яка все це робить.
Друга причина, чому порожній простір містить енергію, - в тому, що він насправді не є "порожнім".
- Згідно з квантовою теорією, частинки з'являтимуться і зникатимуть, тож простір заповнений енергією.
- Так, там не було нічого, коли ми подивилися перший і другий рази.
- Але чи могли б ми стверджувати те саме, якби подивилися між цими моментами?
- Ні. Там могли б бути частинки.
Докази існування таких "віртуальних частинок" були отримані при вивченні світла, випромінюваного атомами водню.
Нільс Бор використав отриманий спектр для створення власної квантової моделі атома, згідно з якою електрон рухається навколо ядра по "дозволених орбітах" з певними значеннями енергії.
Коли електрон перестрибує з високоенергетичної орбіти на нижчу, він випромінює світло.
Частота світла, а отже і його колір, визначається різницею енергії між двома рівнями.
В міру розвитку квантової теорії, "борівські орбіти" були замінені імовірнісними електронними хмарками, але енергетичні рівні залишалися незмінним.
Тоді, у 1947 (тисяча дев'ятсот сорок сьомому), Вілліс Лемб та його студент Роберт Резерфорд спробували перевірити найкращу на той час версію квантової теорії - рівняння Дірака.
І вони зробили це, вимірявши рівні енергії атома водню точніше, ніж будь-коли раніше.
Те, що вони виявили, не узгоджувалося з теорією.
Один з енергетичних рівнів виявився не одним, а двома дуже близькими енергетичними рівнями.
Ми знаємо це як Лембівський зсув.
З допомогою мікрохвиль вони переводили електрон між цими двома рівнями.
Отже, чому існують два рівні енергії там, де мав бути лише один?
Відповідь: віртуальні частинки.
Наприклад, навколо протона постійно виникають і зникають віртуальні електрон-позитронні пари.
У квантовій фізиці це не заборонено, якщо процеси тривають достатньо мало часу.
Протягом цього часу негативний електрон притягується до протона, тоді як позитрон відштовхується.
Це означає, що заряд протона ніби екранується віртуальними електронами навколо.
Таке "екранування" впливає на енергію 2s-орбіталі, в якій електрон знаходиться ближче до ядра, на відміну від 2p-орбіталі, що й змушує енергетичні рівні розділитися.
І це не весь внесок у різницю між енергіями станів.
Повний розрахунок містить послідовність діаграм Фейнмана, які зображають і враховують усі можливі взаємодії між реальними та віртуальними частинками.
- Існує нескінченна послідовність цих діаграм.
- Може здатися, що правильну відповідь отримати неможливо, оскільки потрібно додати нескінченну кількість чисел.
- Але річ у тому, що коли у вас є ці дві вершини між електронами, два місця, де фотон взаємодіє з електроном, це вказує на константу α (альфа), сталу тонкої структури, яка приблизно дорівнює 1/137 (одній стотридцятьсьомій).
- Отже, для цих енергетичних рівнів внесок сталої тонкої структури достатньо малий.
- А на цих складніших діаграмах вже є більше вершин,...
і в міру ускладнення діаграм цих вершин стає все більше, тож ви отримуєте α² (альфа у квадраті), α³ (в кубі), α⁴ (в четвертому степені), тобто все менші й менші числа.
- Чим вищого рівня діаграми, чим менш суттєвими стають складні ефекти, зумовлені віртуальними частинками.
Використовуючи рівняння Дірака, але додаючи впливи віртуальних електронів, позитронів та фотонів, ми можемо розрахувати значення атомних параметрів з точністю, вищою, ніж 10¯⁹ (одна мільярдна).
Це неймовірно. Фізик Лоуренс Краусс називає це "найкращим і найточнішим передбаченням у всій науці".
Тож, з усіма доказами щодо віртуальних частинок, ви можете подумати, що неможливо сумніватися в їхньому існуванні.
Але знову ж таки, вони ніколи не спостерігались безпосередньо.
Насправді теоретично це й неможливо.
- Пояснювати віртуальні частинки завжди складно, тому що про них важко думати "звичайним" способом.
- Вони можуть рухатись в напрямку, протилежному до їхніх імпульсів, робити такі речі, які не узгоджуються з... реальною частинкою.
Отже, існування віртуальних частинок дещо дивне.
Вони необхідні для правильних розрахунків, але ви не можете спостерігати їх безпосередньо.
Можливо, це не проблема, а лише результат неправильного сприйняття реальності.
Ймовірно, будівельними блоками нашого Всесвіту слід вважати не частинки, а поля.
- Істина полягає в тому, що квантова теорія поля є правильним способом говорити про природу на фундаментальному рівні.
- Коли ми говоримо про фізику частинок, про електрони, глюони й кварки...
- Для сучасного фізика це коливання полів.
- Наприклад, фотон є збуренням в електромагнітному полі.
- Як і електромагнітне поле, існують також: електронне поле, поле нейтрино, поле u-кварка, поле t-кварка, і так далі.
Ці поля заповнюють простір, і зазвичай просто існують без жодних проявів.
Але коливання цих полів сприймаються нами як окремі частинки.
Віртуальні частинки - це квантові флуктуації, крихітні збурення в полі.
Вони впливають на взаємодії, але їх не можна виміряти як "реальні частинки".
А оскільки віртуальні частинки існують повсюди, вони надають вакууму енергію.
Якщо спробувати оцінити зумовлену віртуальними частинками енергію порожнього простору, яке значення у нас вийде?
- Це величезна проблема, оскільки приблизна оцінка дає нам 10¹¹² ерг / см³ (десять у стодванадцятому степені ерг на кубічний сантиметр) простору.
- Порівняйте це з 10¯⁸ (десять у мінус восьмому).
- Інакше кажучи, ви передбачаєте в 10¹²⁰ (десять у стодвадцятому) разів більшу густину енергії вакууму, ніж є насправді.
- Тож, очевидно, що ваші приблизні розрахунки надзвичайно, незмірно неправильні, і ніхто не знає, чому.
- Те, як Всесвіт описується космологічною сталою, і те, як описується вакуум, є найбільшою розбіжністю у фізиці. Якщо, звісно мова йде про одну і ту ж річ - про вакуум.
Як таке можливо, що і найкраще, і найгірше наукові передбачення базуються на фізиці віртуальних частинок?
Один експеримент чітко показує, що теорія цілком правильна, в той час, як інший показує, що ми надзвичайно сильно помиляємося..
Знаєте, існує багато сфер людської діяльності, де ми боїмося настільки помилятися, але в науці ця невідповідність насправді дуже захоплива, тому що вона показує нам частинку іще невідомої нам головоломки.
І ми повинні розв'язати цю проблему, якщо хочемо повністю зрозуміти Всесвіт.
Тож, це найкраща підказка з усіх, що у нас є, для майбутньої роботи.
- Так, ми не знаємо.
- Але це й добре! Завжди приємно сказати, що ти не знаєш. Правда ж?
Я теж так вважаю!