6.2.Вакуум как носитель энергии Вселенной.

 

Физический вакуум можно представить себе как определенную материальную среду, обладающую, впрочем, некоторыми совершенно специфическими свойствами. Сравнивая вакуумную «материю» с обычной материальной средой, следует отметить ряд сходств и различий. К сходствам нужно отнести, во-первых, то, что физический вакуум, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением, во-вторых, вакуум, так же как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроскопическую структуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют также возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются, как и возбуждения обычной распределенной материи – волнового и солитонного типа. Волновые возбуждения вакуума понимаются и описываются в теории как частицы. В то же время имеются и важные отличия, и в первую очередь, невозможность связать с вакуумом определенную систему отсчета (СО) – в противном случае мы бы просто вернулись к концепции эфира. Недеформированный вакуум выглядит одинаково при взгляде на него из любой СО, в том числе и из неинерциальной. Исследование объекта с такими инвариантными свойствами требует совершенно определенной методологии, отличной от методологии изучения эфира. Вакуум можно изучать либо через свойства его возбуждений, либо путем его структурной перестройки в макроскопических масштабах, как это планируется в Брукхейвене. Еще одно отличие физического вакуума от обычной среды – специфическое уравнение состояния p = -, автоматически обеспечивающее постоянство плотности энергии и давления вакуума во всех процессах типа сжатия или нагрева. Только перестройка внутренней структуры вакуума приводит к изменению этих констант. Иначе говоря, в процессе непрерывной деформации эти глобальные характеристики вакуума не меняются, их изменение может происходить лишь скачкообразно при смене одной вакуумной субструктуры другой. Постоянная плотность энергии вакуума должна фигурировать в уравнениях Эйнштейна, и она там присутствует в виде -члена. Сам Эйнштейн не утверждал, что эта характеристика относится к физическому вакууму, он полагал, что самому пространству-времени присущи постоянные плотность энергии и давление. Дальнейшее развитие физики показало, что эти понятия – пространство-время и вакуум – тесно связаны, так что идея Эйнштейна была интерпретирована в терминах физического вакуума и физики элементарных частиц.

Чему же равна плотность энергии вакуума в современной Вселенной? Этот вопрос, вообще говоря, должен решаться в эксперименте. Долгое время считалось, что значение -члена точно равно нулю и только в последние годы астрономические наблюдения позволили установить, что его величина отлична от нуля и плотность энергии вакуума примерно в 10-20 раз превышает плотность энергии барионной материи. Именно такие представления о величине -члена приняты сегодня. Каким же образом были экспериментально получены данные о величине -члена? В связи с этим вопросом напомним, что левая часть уравнений Эйнштейна содержит постоянную Хаббла (характеристику геометрии пространства-времени по представлениям Эйнштейна), а правая часть – плотность энергии материи и вакуума. Так как скорость расширения Вселенной постепенно замедляется в случае ее заполнения обычным веществом, то нужно проанализировать скорость расширения в различные эпохи эволюции Вселенной, т.е. следует изучать далекие галактики, испустившие световые сигналы очень давно. По свойствам регистрируемого сигнала (его движение сопровождается расширением Вселенной), по степени его искажения теория позволяет сделать конкретные выводы о характере распространения сигнала – электромагнитной волны. Такими хорошо известными источниками сигналов являются вспыхивающие сверхновые, то есть, нам точно известно, какое излучение они генерируют. Исследование вспышек сверхновых – это целая большая и активно развивающаяся область современной астрономии. Актуальность этой области науки в немалой степени обусловлена тем, что, изучая эти вспышки, можно получить информацию о - члене. Имеется, впрочем, еще один, чисто теоретический, способ определения величины - члена, а именно, оказывается, что значение - члена тесно связано с процессами формирования крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку темп гравитационной неустойчивости определяется составом Вселенной и скоростью ее расширения. Теоретически установлено, что наиболее разумная картина образования крупномасштабной структуры имеет место тогда, когда формирование этой структуры сопровождается расширением пространства-времени Вселенной такого типа, когда вполне определенную роль играет и плотность энергии вакуума. Анализируя такой тип расширения, можно получить оценки величины - члена. Полученные количественные результаты согласуются с наблюдательными астрономическими данными по вспышкам сверхновых, что и позволяет уверенно сделать вывод о неравенстве - члена нулю.

На первый взгляд может показаться, что численное значение - члена не очень велико, однако это не так, поскольку Вселенная очень разрежена и средняя плотность вещества в ней примерно 10^-29 г/см³, а плотность энергии 10^-8 эрг/см³. Для сравнения приведем плотность энергии воды: 10²¹ эрг/см³. Но воды во Вселенной очень немного, так что невелика и ее полная энергия. Очень мала на самом деле и плотность энергии вакуума.

Как же сформировалась эта физическая величина – плотность энергии вакуума? Для прояснения этого вопроса нужно вспомнить, что вакуум есть совокупность большого числа взаимосвязанных подсистем. Одна из них нам хорошо известна – это КГК, о существовании другой подсистемы – ХК – известно почти наверняка. Причем, поскольку эти подсистемы активно экспериментально исследуются, плотности энергии КГК и ХК можно указать. Так плотность энергии для КГК составляет 10³⁶ эрг/см³ (по абсолютной величине) и имеет знак, противоположный знаку плотности энергии вакуума, измеряемой путем астрономических наблюдений. Для плотности энергии ХК имеем 10⁵⁵ эрг/см³ и тоже со знаком минус! Сопоставляя эти наблюдательные данные с предсказаниями существующей теории элементарных частиц, мы начинаем понимать, насколько наши знания о природе и устройстве вакуума еще далеки от истины, ведь сегодняшняя теория предсказывает громадные плотности энергии вакуумных подсистем, да еще и с другим знаком! Решение проблемы возможно лишь при расширении наших сегодняшних представлений о структуре вакуума, введении дополнительных, помимо уже изученных, его подсистем и, кроме того, среди этих вакуумных подсистем необходимо найти такие, которые имели бы положительную плотность энергии. При этом обязательно нужно установить и природу тех процессов, в результате которых происходит точное согласование состояний различных вакуумных подсистем с положительной и отрицательной энергиями. Согласование – тонкая подстройка, как это часто называют, – происходит так, что огромные положительные и отрицательные вклады в плотность энергии вакуума взаимно компенсируются, и в результате - член приобретает значение, близкое к нулю.

Решение этой сложнейшей задачи имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц, поэтому его нужно обсуждать вначале с точки зрения суперструнного и преонного сценариев. Отметим сразу, что все вакуумные подсистемы в рамках преонного сценария имеют отрицательные плотности энергии, так как по своей природе они аналогичны КГК, т.е. являются сильно связными дионными структурами, а такие структуры всегда имеют отрицательную плотность энергии. В другом сценарии, предполагающем суперсимметричное обобщение теории элементарных частиц и дальнейший переход к суперструнной картине, присутствуют в основном конденсаты типа хиггсовского. Таких вакуумных конденсатов в суперсимметричной схеме много, причем «стандартный» ХК из СМ имеет наименьшую по модулю энергию из всех этих подсистем. Казалось бы, в суперсимметричных теориях удастся добиться точной компенсации вкладов в энергию вакуума от различных вакуумных подсистем, правда, не удалось найти СУСИ - модель, которая содержала бы и механизм компенсации, и в низкоэнергетической области сводилась бы к известной теории элементарных частиц. Но дело даже не в этом, можно предположить, что такая модель будет построена. Проблема в том, что и в этом случае не находит ответа вопрос о включении экспериментально зафиксированного кварк-глюонного конденсата в схему компенсации вкладов вакуумных подсистем. Так что на этом пути проблема - члена также не решается. Ключ же к решению проблемы лежит в квантовой теории гравитации.

Гравитационный вакуум, как и вакуум КХД, имеет сложную квантово-топологическую структуру. Но если вакуум КХД представляет собой совокупность структур в расслоениях пространства-времени, то гравитационный вакуум есть набор топологических структур в искривлениях пространства-времени. Проиллюстрируем возможные топологические структуры на простом 2-мерном примере. Рассмотрим для этого обычную плоскость или, в более общем случае, некую слабо искривленную 2-мерную поверхность. Такая поверхность представляет собой 2-мерную модель реального искривленного пространства-времени без учета внутренних топологических дефектов. Создадим на поверхности топологический дефект – начертим в различных местах две одинаковые непересекающиеся окружности и вырежем соответствующие внутренние круги, тем самым мы устраняем из пространства некоторое подмножество точек. Получается поверхность с дырками, и, чтобы вернуть пространству его непрерывность, возьмем трубку такого же диаметра, как и диаметр дыр, и соединим дырки трубкой. Она тоже является 2-мерным, но более искривленным пространством, соединяющим две дефектные области. Отметим, что границы дефектных областей являются 1-мерными линиями. Описанная конструкция называется «кротовой норой», происхождение термина вполне наглядно и понятно. Вернемся теперь в 4-мерное пространство-время. В нем так же можно создать дефект, ограничив 3-мерными гиперповерхностями некоторые области 4-мерного пространства-времени. Соединяя различные дефектные области 3-мерными искривленными гиперповерхностями, получим дефект в виде 4-мерной «кротовой норы». По представлениям квантовой теории гравитации оказывается, что наше реальное пространство-время заполнено такими микроскопическими «кротовыми норами», размеры которых чрезвычайно малы – характерный их размер 10^-33 см, то есть планковская длина. При макроскопических перемещениях мы их не замечаем, ведь наличие «кротовых нор» скажется на движении частиц только при взаимодействии частиц на этих сверхмалых расстояниях. Самое же важное – заполненное «кротовыми норами» пространство-время является носителем положительной энергии! То есть энергия гравитационного вакуума положительна – в отличие от энергии квантовохромодинамических и хиггсовских конденсатов. Именно наличие такой вакуумной подсистемы, как «кротовые норы», и обеспечивает принципиальную возможность взаимного сокращения различных вкладов в полную энергию вакуума.

Нужно отметить, что проблема объяснения численного значения и эволюции - члена порождает в физике ХХI века совершенно специфическую ситуацию. Особенность ее в том, что, с одной стороны, суть решаемой проблемы совершенно ясна, поскольку известен ряд экспериментальных фактов, согласованных с проверенной Стандартной Моделью элементарных частиц и свидетельствующих о существовании вакуумных подсистем с громадной отрицательной энергией. Однако, с другой стороны, имеются данные наблюдательной астрономии, однозначно утверждающие, что огромный отрицательный вклад известных вакуумных подсистем компенсируется примерно таким же по величине положительным вкладом неизвестной природы с фантастической точностью. Анализ всех существующих на сегодняшний день концепций фундаментальной физики показывает, что такое сокращение вкладов возможно только на планковских масштабах с включением подсистемы «кротовых нор». Однако это утверждение экспериментально не проверяемо! Для осуществления такого эксперимента требуется достижение невообразимо больших энергий – 10¹⁹ ГэВ, однако в окружающей Вселенной не обнаруживается никаких признаков процессов, происходящих при таких энергиях. В спектре космических лучей максимальная зарегистрированная энергия на 7 порядков ниже – 10¹² ГэВ, что даже не дотягивает на 4 порядка до характерного энергетического масштаба Великого Объединения. У нас нет никакой уверенности, что в природе вообще существуют объекты с такими энергиями. В рамках принятой в науке методологии познания нам понадобилось бы провести при таких энергиях воспроизводимый локальный эксперимент. Возникает, однако, впечатление, что энергетики всей Вселенной будет недостаточно для проведения такого эксперимента. Кроме того, похоже, что энергетический запрет на экспериментальную проверку структуры вакуума на планковском масштабе не случаен: при столь высоких энергиях результатом эксперимента могло бы стать катастрофическое разрушение пространства-времени всей Вселенной и даже, может быть, не одной (конечно, это тоже гипотеза). Возможно, в эксперименте произошло бы и рождение так называемых дочерних вселенных.

Нетривиальность складывающейся физической ситуации определяется не только тем фактом, что процесс человеческого познания по сути дела отвергает сам себя, поскольку точно формулируемая проблема диктует необходимость проведения исследований на планковских масштабах, что абсолютно невозможно. Внутренняя противоречивость пути поиска истины фактически бросает вызов человеку, ясно демонстрируя его скромное место на этом пути и в Мире. Осмысление этого факта уже сегодня ставит перед человечеством новую философскую проблему.

Еще одной специфической чертой изучаемых в современной Вселенной явлений с достаточно малыми характерными энергиями является то, что для их понимания оказывается необходимым учет всех микроструктур вакуума с характерными масштабами и энергиями, заполняющими всю шкалу – от самых малых энергий частиц макромира до фантастически огромных планковских энергий (судя по всему, недоступных для эксперимента), включая и все промежуточные масштабы. Наглядным проявлением этого факта является и то, что все вакуумные структуры вносят свой вклад в величину - члена. Таким образом, перед нами яркая демонстрация целостности Мира, который невозможно изучать, вычленяя из его целостной, сильно связной структуры какую-либо часть по неким пространственным или энергетическим критериям. Современная наука установила, что для познания Мира необходимо учитывать все его элементы на всех пространственно-временных или энергетических масштабах. Целостный единый Мир требует для своего исследования формулировки совершенно новой методологии познания, и этот вывод обозначает новую философскую проблему ХХI века, не только абстрактно научную, но и непосредственно затрагивающую самого Человека. Совершенно так же, как и в фундаментальной физике, проблема формулируется совершенно ясно, но подходы к ее решению трудно даже представить. Нужно добавить, что подобные проблемы в большом количестве возникают не только при анализе космологической сингулярности в процессе рождения Вселенной, но и при изучении всех стадий космологической эволюции, а именно, в окрестностях каждого фазового перехода. Причем о неизбежности, по меньшей мере, двух фазовых переходов нам известно точно. Дело в том, что вакуумные конденсаты, носители громадной энергии, существуют не с самого начала Вселенной, а, как было показано ранее, они возникают при определенных характерных температурах. Так, кварк-глюонный конденсат отсутствовал при температурах, больших 500 МэВ, при Т=500 МэВ КГК возникает, как подсистема с громадной энергией. Так что и почти нулевой - член в современной Вселенной сформировался уже с участием КГК.

Как же происходило формирование - члена? Для объяснения этого процесса есть два подхода. В первом, «наивном», подходе предполагается, что до фазового перехода вакуум во Вселенной характеризовался большим положительным - членом, а частично выпавший при 500 МэВ кварк-глюонный конденсат своей отрицательной энергией точно скомпенсировал положительное затравочное значение - члена. В этом подходе речь идет о точной подгонке параметров вакуумных подсистем в масштабах Вселенной с точностью до 44 знака после запятой! Процесс такой подстройки трудно считать возможным. Но история на этом не заканчивается, так как до энергий в 100 ГэВ не было и хиггсовского конденсата. Выходит, теперь нужно предполагать, что затравочный - член имел энергию порядка ХК, и, родившись, ХК скомпенсировал его уже с точностью до 55 знака? А далее точность компенсации должна еще возрастать, и на планковских масштабах точность подгонки должна быть уже около 100 знаков? Видимо, путь к решению проблемы должен быть иным. Надо признать, что нам неизвестен физический закон, придающий нулевому значению - члена некий особый смысл. Компенсация вкладов в - член должна управляться физическим законом, а не подгонкой параметров теории! Именно поисками этого нового закона природы и нужно будет заниматься ученым в ближайшее время.

Предположим, что этот закон действительно существует, и он управляет формированием вакуумного состояния. Тогда из него следует, что после каждого фазового перехода, когда образуется новая вакуумная подсистема, все остальные подсистемы начинают перестраиваться. В частности, после образования КГК для компенсации его энергетического вклада плотность энергии ХК по модулю должна уменьшиться всего на одну миллиардную процента. Таким образом, ХК реагирует на КГК без процедуры подгонки, а в результате действия некоторого закона. Затем наступит очередь реагировать конденсату, ближайшему по энергии к ХК и далее по цепочке. В рамках такой картины после каждого фазового перехода, все остальные подсистемы динамически реагируют на образование новой вакуумной подсистемы, по-видимому, в конце концов, отреагирует и подсистема «кротовых нор». Эта последовательность реакций управляется новым физическим законом, который обеспечивает формирование почти нулевой плотности энергии вакуума в результате динамического согласования всех его подсистем. Заметим, что мы говорим о некоем новом физическом законе, управляющем динамикой вакуума, но не представляем, каким он должен быть. Уже на уровне КГК мы сталкиваемся с проблемой описания квантово-динамической эволюции вакуума в реальном времени – и не знаем, каковы уравнения эволюции. Но теперь, в уравнениях динамической эволюции вакуумных структур должна содержаться одновременно и цель этой эволюции – конечная нулевая величина - члена. В этом проявляется один из аспектов самоорганизации вакуума, который уже частично обсуждался выше. Добавим, что в процесс самоорганизации вакуумных структур также вовлекаются все энергетические и пространственно-временные масштабы, включая и планковский. С философской же точки зрения проблема описания самоорганизующегося эволюционирующего вакуума ставится также вполне четко, однако, как и ранее, нам неизвестны пути ее решения.

Представления о динамической эволюции вакуума после каждого фазового перехода получают поддержку и в наблюдательной космологии. Мы уже упоминали, что данные о - члене, влияющем на расширение Вселенной в целом, можно получить из данных о вспышках сверхновых. Анализ таких данных приводит к выводу, что - член не просто отличен от нуля, но и не является константой, он испытывает медленную космологическую эволюцию. На языке уравнений состояния это означает, что уравнение «смягчается» и становится p = -2/3. Для плотности энергии вакуума, медленно спадающей к нулю по закону _вак1/a, где а – характерный размер наблюдаемой Вселенной, предложено удачное название – квинтэссенция. В свете ранее обсуждавшихся идей этот термин можно трактовать так: наблюдаемый медленный спад энергии вакуума есть главнейший (квинтэссенция!) суммарный результат сложных процессов самосогласования всевозможных вакуумных подсистем, происходящих на различных пространственно-временных масштабах. Возникающая в связи с таким, наблюдаемым в природе, поведением _вак теоретическая проблема состоит в том, чтобы понять, почему эволюция вакуума после последнего кварк-адронного перехода сопровождается такой медленной согласованной перестройкой всех вакуумных подсистем, то есть медленной взаимной подстройкой состояний всех вакуумных субструктур.

Таким образом, астрономия и космология предоставляют экспериментальные факты, явно свидетельствующие о неполноте сегодняшней теории элементарных частиц.