Перед тем как вы начнете хвастаться, мне очень жаль, но придется сказать вам, что Виттен в конце концов был прав и только что обретенная власть – мираж. Вы не можете создавать Вселенную, потому что, несмотря на все возможности квантового мира, невозможно предугадать, какая из них станет реальной после обнаружения. Это – часть магии полей, образующих Вселенную. Квантовый мир превращает то, что мы считали определенностью, в возможности или вероятности, чтобы проводить эксперименты, результат которых никто не может угадать с полной уверенностью. Так же как подбрасывание в воздух монетки или кидание костей. Ученые думали, что эта неопределенность связана с пробелами в их знаниях, но затем было доказано, что это не так, благодаря знаменитой теореме,[42] опубликованной в 1964 году физиком из Северной Ирландии Джоном Стюартом Беллом. Его неравенства позволили французскому физику Алену Аспе экспериментально показать, что существование возможностей вместо определенностей является свойством микромира, которое мы просто должны принять.
Хорошо.
Но какое отношение имеет все это к вакууму, который вы собирались исследовать? Что ж, это как раз то, чем вы теперь займетесь.
Заполненная датчиками белая комната исчезает вместе с металлическим столбом в ее центре и не удосужившимся даже попрощаться желтым роботом.
Вы вернулись в середину того, что кажется космической ночью, в одиночестве, в окружении небытия.
Вы уменьшились до размеров мини-копии и наблюдаете какое-то движение.
Это как если бы… как если бы частица (а может быть, и две, вы точно не уверены) только что появилась прямо перед вами, прежде чем исчезнуть во вспышке света.
Вокруг ничего не было, потом что-то появилось, и больше снова ничего нет.
Странно.
И это происходит снова. И снова. Бесчисленное множество раз, везде.
То, что вы наблюдаете, по-видимому, спонтанное рождение частиц из ничего. И прежде чем они по какой-то причине исчезнут, эти частицы проделают все возможные пути, которые позволит им пройти квантовая свобода.
Последнюю часть этого заявления вы можете допустить. Вы видели в белой комнате, как бесконтрольно ведут себя квантовые частицы. Но как же им удается просто вылетать из ничего?
Ну хорошо, их окружает не ничто. Вокруг существуют квантовые поля.
Для того чтобы возникнуть, частицам нужно позаимствовать некоторую энергию из квантовых полей. А так как эти поля заполняют любое место в пространстве и времени, частицы могут буквально появляться в любом месте и в любое время. Вот причина, почему нигде во Вселенной нет такого понятия, как истинная пустота.
Вы продолжаете смотреть в темноту, и вдруг, как будто бы с ваших глаз сняли повязку: перед вами мгновенно обнажается ее истинное содержимое. Частицы. Сливающиеся. Повсюду. Заполняющие все, выстреливающие сквозь кипящий фон пульсирующих петель, виртуальные частицы, движущиеся и взаимодействующие друг с другом, появляющиеся и исчезающие во вспышках света или энергии. Необычный фейерверк происходит повсеместно, не оставляя пустым ни одного места. Практически полная противоположность того «ничто», которое, как вы, вероятно, когда-то думали, заполняет огромную пустоту космического пространства.
И это именно то, что ученые называют вакуум.
Он – то, что остается, когда удаляют все: квантовые поля на их самом низком возможном уровне энергии, с виртуальными частицами, самопроизвольно вылетающими из них только для того, чтобы передвигаться везде, прежде чем уйти обратно в небытие.
Еще раз повторюсь: во Вселенной не существует такого понятия, как пустота.
В месте, из которого удалено все, как можно было бы резонно ожидать, ничего не осталось. Но дело в том, что, так же как нельзя забрать из любого места пространство и время, так и невозможно извлечь вакуум квантовых полей.
В 1948 ГОДУ НИДЕРЛАНДСКИЙ ФИЗИК ХЕНДРИК КАЗИМИР ВЫДВИНУЛ ГИПОТЕЗУ, ЧТО ВАКУУМ ЯВЛЯЕТСЯ РЕАЛЬНЫМ ФАКТОМ ВСЕЛЕННОЙ, А НЕ ПРОСТО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ВЫМЫСЛОМ.
Но если вакуум действительно не пуст – если вакуум квантового поля определяется всеми могущими выскочить из него частицами, – тогда в голове возникает довольно логичный вопрос: вакуум одинаков везде или природа может менять его в зависимости от места? Переспросим, употребив его грамматическое множественное число: имеется много вакуумов?
В 1948 году нидерландский физик Хендрик Казимир выдвинул гипотезу, что вакуум, определенный как описано выше, является реальным фактом Вселенной, а не просто теоретическим вымыслом и что вокруг нас не только должны существовать различные его виды, но они также должны оказывать весьма конкретное влияние на наш мир. Эффект, который может быть обнаружен.
Представьте себе установленную на поворачивающиеся ролики стену, отделяющую наполненную воздухом комнату от другой комнаты, заполненной водой. Можно было бы ожидать увидеть, как стена, мягко подталкиваемая напором воды, движется на роликах в направлении заполненного воздухом помещения. Теперь представьте две крошечные, параллельно расположенные металлические пластины, обращенные друг к другу. Если предоставить их самим себе, то, так же как и стена, отделяющая заполненные водой и воздухом комнаты, они должны двигаться: отталкиваться или притягиваться друг к другу из-за разницы в разграничивающем их вакууме и вакууме, находящемся в свободном пространстве вне их обеих.
Почему?
По той простой причине, что вне пластин больше места, чем между ними. Поэтому виртуальные частицы, вылетающие из ниоткуда между пластинами, отличаются от тех, что появляются снаружи, что и делает вакуумы разными.
В результате пластины должны двигаться – и они так и поступают, что в 1997 году было экспериментально доказано американским физиком Стивом Ламоро и его коллегами. Это явление известно как эффект Казимира.
Эффект Казимира подтверждает, что пустоты не существует, и идет дальше, показывая наличие различных типов вакуума, которые могут привести к возникновению силы: силы вакуума.[43]
Между прочим, вы уже могли заметить, что только что нашли решение весьма сложной головоломки.
Как вы уже с недавних пор знаете, все частицы во Вселенной не что иное, как выражения квантовых полей. Они как волны в море. Они похожи на подброшенные в воздух шары. Они одновременно частицы и волны, порождаемые квантовым полем, которому принадлежат, и распространяющиеся по нему.
Теперь вспомните, как, исследуя микромир, вы заметили, что все фундаментальные частицы, с которыми вы сталкивались, всегда были одинаковыми, а любые два электрона неизменно оказывались абсолютно идентичными.[44]
Как такое могло происходить?
В повседневной жизни такого совершенства просто не существует. Чтобы вы ни делали или ни строили, на что бы ни смотрели или о чем бы ни думали – нет двух совершенно точно одинаковых предметов. Или людей (даже близнецов). Или птиц. Или мыслей. Ничего. Даже если предметы выглядят одинаково, они не тождественны. Так как же тогда все электроны и другие фундаментальные частицы всегда абсолютно и совершенно идентичны любому другому в своем роде?
Ответ в том, что все элементарные частицы по всей Вселенной процветают на тех же объектах, что могут проглотить их обратно в любой момент: в вакууме квантового поля. В невидимых фоновых морях, заполняющих всю Вселенную.
Все электроны – идентичные выражения электромагнитного поля, все они вылетают из его вакуума и распространяются в нем. И так же поступают все фотоны.
Каждый раз, когда электрон становится реальным, он пробуждается от своей призрачной летаргии в результате всплеска в окружающем вакууме электромагнитного поля. Каждый раз, когда появляется глюон, он возникает из некоторой энергии, отданной или взятой из вакуума поля сильного взаимодействия. Каждый раз, когда происходит радиоактивный распад, вовлекается вакуум поля слабого взаимодействия и из него выстреливают элементарные частицы – нейтрино. И чем большей энергией обладает вакуум, тем больше элементарных частиц может вылететь из него.
Хорошо, мы подобрались к теме вплотную, так что давайте продолжим. Кажется, что все поля ведут себя одинаково, что все они подчиняются тем же законам. Теперь как насчет гравитации?
Везде, где действует гравитация, также существует и гравитационное поле, хотя это поле и другое, по крайней мере на настоящий момент, потому что никто не знает, как оно может быть квантовым. Как вы увидите позже, никто не знает, как заставить частицы вылетать из вакуума гравитационного поля, не создавая катастрофических проблем. Но если бы это было возможно, то гравитация имела бы собственные частицы, которые, как и в случае всех других полей, действительно бы вылетали из гравитационного поля, перенося его взаимодействие. Эти частицы называют гравитонами. Они еще не обнаружены, и кривые пространства-времени по-прежнему остаются лучшим способом объяснить действие гравитации.
Но даже без гравитонов и даже если она не квантовая по своей природе, гравитация все-таки поле. Таким образом, общее количество полей, используемых человечеством для описания всего известного до сих пор, равно четырем.
Но почему четырем?
Почему должно быть четыре фундаментальных поля?
Почему не пять, десять, сорок два или 17 092 008 полей для объяснения поведения природы?
А как насчет соответствующих им вакуумов? Может, они просто сосуществуют, не замечая взаимного присутствия? Звучит странно, не так ли? Разве жизнь не была бы проще, если бы имелось только одно поле?
Была бы.
А простота – это то, что, к чему всегда стремятся физики-теоретики. Она влечет их воображение, и поэтому они попытались объединить четыре упомянутых выше известных поля в одно.
Одно поле, что правит всеми,