Важной концепцией, играющей большую роль в современном понимании Вселенной являются вакуумы, или vacua по-латыни, множественная форма слова «вакуум».

Вы, возможно, знаете, что физики называют вакуумом пустое пространство, в котором ничего нет — ни воздуха, ни даже залётных элементарных частиц. Но тогда есть нечто странное в идее вакуума во множественном числе. Явно к этому понятию добавлено ещё что-то! Именно это я и попытаюсь объяснить.

Теория может предложить описание пустого пространства

Для начала позвольте напомнить вам о том, что такое теория в физике. Это не рассуждения и не идея; это нечто более определённое. Теория — это набор уравнений и сопутствующих концепций, позволяющий учёным делать предсказания поведения физических объектов. Некоторые теории должны описывать реальный мир; большинство теорий описывают воображаемые миры; но любая разумная теория делает согласованные предсказания и описывает аспекты возможного мира.

К примеру, теория гравитации Ньютона, в которой сила гравитации между двумя объектами, находящимися на расстоянии r, пропорциональна 1/r², примерно описывает происходящее в реальном мире. Могла бы быть и другая теория гравитации, в которой сила пропорциональна 1/r³. Это по-прежнему была бы физическая теория, поскольку она делает чёткие предсказания того, как объекты должны притягиваться друг к другу благодаря гравитации, но она описывала бы воображаемый мир, а не наш, реальный. Это совершенно нормальная физическая теория, но она не описывает природу нашего мира.

Некоторые теории (не все, конечно) должны описывать не только предметы, но и отсутствие предметов в виде пустого пространства — также известного, как вакуум. Во времена Ньютона пустое пространство было простым. Это было именно что просто пустое пространство. Но с годами пустое пространство становилось всё более сложным. В XIX веке стало известно, что в пустом пространстве есть поля — и сегодня мы считаем поля элементарными аспектами Вселенной, поэтому они крайне важны!

Поля

Поле — это образование, способное иметь значение в любой точке пространства в любой момент времени. В повседневной жизни нам встречается поле в виде температуры воздуха — в любой момент времени в любом месте можно измерить температуру, и если вы знаете температуру во всём пространстве, вам известно температурное поле в этот момент. Но этот пример для нас не подходит, поскольку температура воздуха имеет смысл при наличии воздуха, а в пустом пространстве температурное поле бессмысленно.

Более хорошим примером будет электрическое поле (отвечающее за молнии, статическое прилипание и электрические токи в проводах). Электрическое поле — элементарное поле природы, существующее даже в пустом пространстве. То же верно для всех элементарных полей природы, включая W-поле, электронное поле, мюонное поле, и т.п., включая и ныне знаменитое поле Хиггса.

Вакуум против вакуума

Так что когда мы говорим о пустом пространстве, мы имеем в виду пространство, наиболее пустое по возможности. В каком-то смысле оно пустое, поскольку в нём нет частиц, даже частиц света (фотонов). А частицы — это долгоживущие и просто ведущие себя возмущения полей. Но в каком-то смысле оно не пустое, из-за электрического поля, W-поля, поля Хиггса, всё время там присутствующих! Вакуум не определишь простым словосочетанием «пустое пространство», поскольку нам необходимо не только сказать, что в нём нет частиц, нам также необходимо сказать, что именно делают в этом пустом пространстве поля. То есть, нам необходимо определить конфигурацию полей в этом вакууме.

В определённом вакууме поля могут быть настроены таким образом, что у большинства из них среднее значение будет нулевым. В среднем, потому что квантовые флуктуации гарантируют небольшое дрожание значений. Но некоторые из них могут не быть в среднем нулевыми. Это верно и для нашего вакуума — все поля в среднем нулевые, кроме поля Хиггса, чьё среднее значение ненулевое и постоянное по всей видимой части Вселенной (за исключением квантового дрожания). Это очень важно! Известный нам мир нельзя было бы узнать, если бы среднее значение поля Хиггса было бы нулевым — нас бы в нём вообще не было.

Во вселенной может быть несколько разных вакуумов. То есть, пространство может быть максимально пустым несколькими способами — есть больше одного способа настроить поля вселенной даже в отсутствии любых частиц. Точно так же теория, описывающая вселенную, может предсказывать наличие более одного вида вакуума. Пример такой теории — Стандартная Модель, уравнения, используемые для описания и предсказания поведения известных элементарных частиц и взаимодействий природы (не включающая более загадочные элементы: гравитацию, тёмную материю и тёмную энергию). Сейчас, после того, как мы измерили массу частицы Хиггса, нам известно, что Стандартная Модель предсказывает два разных вакуума — в одном из них поле Хиггса имеет наблюдаемое нами значение, а в другом оно гораздо больше. В общем, теория предсказывает возможность существования двух очень разных способов поведения пустого пространства.


Рис. 1

Но давайте кое-что уточним. Теория под названием Стандартная Модель предсказывает это для воображаемой вселенной, описываемой Стандартной Моделью. Мы пока не знаем из экспериментов, описывает ли Стандартная Модель реальную вселенную — то есть, являются ли воображаемая вселенная Стандартной Модели и реальная Вселенная, в которой мы живём, достаточно схожими для того, чтобы предсказания Стандартной Модели (теория) совпадали со всеми результатами всех экспериментов (данные). Следовательно, нам неизвестно, есть ли в реальном мире два предсказываемых Стандартной Моделью вакуума.

Вакуум похож на дно чаши

Опишу одно из основных свойств вакуума. То же свойство позволяет шарику покоиться на дне чаши.


Рис. 2

Дно чаши — стабильное для шарика положение. Если переместить шарик на небольшое расстояние в любом направлении, он скатится обратно, немного подрожит, и затем сила трения остановит его на самом дне. Когда вы сдвигаете шарик на небольшое расстояние от дна, его энергия (взаимодействия с гравитацией Земли) увеличивается, а у него существует тенденция к уменьшению этой энергии через возврат к начальной точке, где энергия гравитации наименьшая. Стабильное положение — такое, в котором любой сдвиг шарика увеличивает его энергию, или, по крайней мере, не уменьшает её. Соответственно, если вы сможете сдвинуть шарик так, чтобы уменьшить его энергию, шарик будет катиться в том направлении и не обязательно вернётся — в этом случае начальная тока стабильным положением не будет.

По определению вакуум является стабильной конфигурацией полей вселенной и самого космоса". Если кто-нибудь немного изменит значения полей в вакууме, то значения полей будут стремиться к возвращению в начальное положение, затем немного подрожат вокруг него и успокоятся. Вакуум — это конфигурация полей, для которой энергия вселенной минимальна; любое малое изменение полей ведёт к увеличению (или, по крайней мере, не ведёт к уменьшению) энергии вселенной, и поля всегда будут стремиться к возвращению к их значениям в вакууме.


Рис. 3: разные чаши с разными стабильными положениями для шарика

Вернёмся к шарику. Можно представить ситуацию, в которой у меня есть две одинаковые чаши, у каждой из которых есть стабильное положение для шарика. Или можно представить чашу странной формы с двумя разными стабильными положениями на разных высотах. Или можно представить гораздо более сложную чашу со множеством стабильных положений. Можно представить, как мы кладём шарик в одно из различных положений, отмеченных на рис. 3 стрелками, и он остаётся там неопределённое время, поскольку любого малого сдвига положения шарика будет недостаточно для того, чтобы переместить его от одного стабильного положения до другого (эффект квантового туннелирования усложняет такую ситуацию, но о нём мы расскажем в следующий раз).

Точно так же у Вселенной может быть — или теория вселенной может предсказать существование — более одной стабильной конфигурации полей, то есть, более одного вакуума. Количество возможных вакуумов никто не ограничивает, хотя у простых теорий обычно их бывает довольно мало. Только у теорий с множеством типов полей обычно бывает множество вакуумов. Получается, что вопрос, пусть и не напрямую, связан с тем, сколько типов полей есть в нашей Вселенной? Только известные нам? Или их тысячи?

Есть ли у нашей Вселенной множество вакуумов?

Как получается, что Стандартная Модель предсказывает, что в нашей Вселенной есть два вакуума? Во-первых, просто показать (если знать, как вести подсчёты), что у каждого элементарного поля в Стандартной Модели, за исключением поля Хиггса, должно быть нулевое среднее значение в любом вакууме. Но поле Хиггса не такое; оно может обладать и обладает ненулевым средним значением в известном нам вакууме, и может обладать им в любом другом возможном вакууме. Чтобы узнать, каковы стабильные значения для поля Хиггса, мы подсчитываем энергию пустого пространства в виде функции от среднего значения поля Хиггса. Что интересно, на сегодня физики могут делать весьма подробные расчёты, поскольку они уже:

• точно измерили массу верхнего кварка,
• открыли частицу Хиггса (которой, если верить Стандартной Модели, бывает всего одна разновидность), и
• измерили массу частицы Хиггса.

В результате они приходят к выводу, сходному с тем, что изображено на рис. 4. Как и у двойной чаши в середине рис. 3, у которой есть два стабильных положения, где любое движение шарика увеличивает его энергию, у энергии поля Хиггса Стандартная Модель предсказывает два минимума. Это означает, что существует два вакуума, указанные стрелочками на рис. 4, со свойствами, указанными на рис. 1: один известный нам вакуум, с довольно малым значением поля Хиггса, другой, экзотический вакуум, с большим значением.

Точное расположение и глубина (значение поля Хиггса и энергия пустого пространства) экзотического вакуума — вопрос открытый. Они очень сильно зависят от масс верхнего кварка и частицы Хиггса, наше понимание которых всё ещё может испытывать небольшие, но критичные изменения на основании данных Большого адронного коллайдера. Рис. 4 показывает текущую наилучшую догадку, где у нашего вакуума энергия больше, чем у экзотического.


Рис. 4

Но нужно всегда помнить, что Стандартная Модель может и не описывать нашу Вселенную достаточно хорошо для того, чтобы все эти выводы были верны. Нам уже известно, что Стандартная Модель не учитывает гравитацию, тёмную материю и тёмную энергию; она может не учитывать целый вагон неизвестных частиц. Могут даже существовать другие типы частицы Хиггса. Соответственно, мы пока ничего с уверенностью не знаем. В нашей вселенной может быть только один вакуум, или три, сотня, или гораздо больше. Изучение вакуумов вселенной остаётся областью активных исследований, которые в принципе могут продолжаться столетиями.