Что такое энергия в квантовой физике

Новое в блогах

В классической физике определение энергии отталкивается от материальных вещей, считаясь мерой движения и взаимодействия материальных тел. Но на самом деле материя изменчива и пластична. Нет никаких твердых, вечных, неделимых тел и частиц. Есть лишь потоки [энергии]. Они могут закручиваться, переплетаться, образуя плотные и устойчивые, долговременные структуры, которые мы воспринимаем как материальные. Материальные формы – это лишь способы нашего восприятия [энергетических] потоков.

Особенно очевидно это для живых систем, которые представляют собой самоорганизующиеся, самоуправляемые потоки [энергии]. Живая система – это не материальный объект, состоящий из неделимых «кирпичиков». Это скорее область пространства-времени, обладающая определенной самодостаточностью.

А так как для этой области есть внутренняя и внешняя среды, то и эволюция живых систем – взаимодополняющий процесс, т.е. внутренние изменения направлены на гармонизацию с внешними процессами, и наоборот. Любая внутренняя потребность имеет точку приложения во внешнем мире, задавая направление движения. А любые внешние изменения вызывают соответствующе процессы внутри живой системы.

Откуда берется ваша энергия? Многие думают, что от хлеба, от каши с маслом, но это лишь дополнительные источники энергии, а главный источник – в сознании. Если у вас нет какой-то заветной цели, какого-то образа прекрасного будущего, то у вас нет и энергии. Сколько ни корми человека кашей, сколько калорий в него ни закачай, у него не прибавится энергии, если нет желания, нет цели, с точки зрения физики – если нет НАПРАВЛЕНИЯ времени. Энергия – это ПОТОК, устремленный в будущее, т.е. преобразующий информационную/материальную структуру настоящего. А время – это уже информационная характеристика системы (свойство сознания), как было показано в предыдущей статье об объёмном восприятии времени (https://cont.ws/@zhamantikovagg/1643729).

Напомню, что в этой статье я сравнила время с вложенными циклами в программировании. В самом внутреннем, ближайшем к центру цикле, «время течет» быстрее всего, а в самом дальнем от центра цикле – медленнее. Таким образом, развитие – это не линейный, а циклический, объемный процесс, затрагивающий всю систему в целом, всю структуру пространства-времени.

При таком понимании времени и энергии становится ясно, что развитие мира – это, в первую очередь, информационный процесс. Материей управляют не «силы гравитации», как принято считать с материалистической точки зрения, а вся система эволюционирует как единое целое, стремясь к идеальной структуре пространства-времени. Не массы притягивают друг друга, а информационно-энергетические потоки системы образуют в ней устойчивые материальные структуры. И чем энергетически самодостаточнее структура, тем устойчивее она во времени.

Цель эволюции системы – это энергетическая самодостаточность всех подсистем при сохранении информационного единства. А информационное единство системы – это сознание. Таким образом, рост сознания – это и есть направление эволюции, которое обеспечивает к тому же оптимальную энергетическую структуру системы.

Источник

Энергия в квантовой механике

Вы будете перенаправлены на Автор24

В квантовой механике энергии свойственна двойственность в отношении понятия времени. В частности, невозможно (в силу фундаментальных причин) произвести абсолютно точное измерение энергии системы в каком-либо процессе, для которого время протекания конечно.

При проведении серии измерений для одного и того же процесса значения измеряемой энергии будут флуктуировать. Наряду с тем, среднее значение всегда определяется на основании закона сохранения энергии. Это объясняет причину сохранения средней энергии в квантовой механике.

Вышеприведенное уравнение представляет собой математическое выражение принципа корпускулярно-волнового дуализма частиц и волн для случая энергии.

Гамильтониан в квантовой механике

Готовые работы на аналогичную тему

Энергия квантовой механики в координатном представлении

Если частица не имеет потенциальную энергию, то тогда гамильтониан будет самым простым.

Вышеприведенные формулы касаются свободной частицы. Также в отношении энергии существует такое понятие, как потенциальная яма.

Квантовые операторы энергии

Роль обобщенных координат в классической теории поля играют его функции в каждой отдельной точке пространства-времени. Они становятся операторами в квантовой теории поля. Гамильтониан (для системы взаимодействующих полей) представляет суммарное число операторов энергии их взаимодействия и свободных полей.

Гамильтониан (в отличие от лагранжиана) не дает релятивистски-инвариантное описание системы. В различных инерциальных системах отсчёта энергия будет разной. При этом, в отношении релятивистских систем такую инвариантность можно доказать.

Квантово-механический вариант получается, если числовое значение импульса заменить на оператор:

Если рассматривать формулу самого оператора импульса в квантово-механическом случае, то она будет такой:

Мы получили, таким образом, оператор Гамильтона в координатном базисе:

В отличие от классической версии, квантовый гармонический осциллятор не может совершать колебания. Другими словами, квантовый гармонический осциллятор не может иметь нулевую энергию.

Для каждого собственного значения (энергетического уровня) будет соответствовать собственный вектор. Он представляет собой волновую функцию, в которую будет переходить вектор состояния после того, как произведутся измерения собственного значения (энергии).

Источник

lifesouldeath

ЖИЗНЬ ПОСЛЕ ЖИЗНИ

Все вокруг нас – энергия

Все вокруг нас – энергия. Квантовая физика говорит о том, что все во Вселенной сделано из одной и той же первоосновы. Ученые называют ее «энергия», богословы – «Богом», мистики – «Духом». Собственно говоря, квантовые физики – это и есть «мистики» XXI века, как говорит Джеймс Рэй – писатель и знаток многих культурных традиций. Сегодня современная наука совершает «революционные открытия», подтверждающие то, что они издавна говорили. Вообще надо заметить, что ее передний край все глубже уходит в эзотерику. «Когда ученые, наконец, покорят вершину горы, они застанут там спокойно сидящих мистиков, которые спросят их: «Где же вы так долго пропадали?».

Парацельс в свое время говорил: “То, что в одном веке считается мистикой, в другом веке становится научным знанием”.

— вся материя – это энергия, как физический итог нематериального процесса творения;

— энергию нельзя создать или разрушить;

— она является причиной и следствием самое себя;

— она присутствует повсюду;

— энергия находится в постоянном движении;

— она непрерывно трансформируется, переходя из одной формы в другую;

— энергию заставляет вибрировать Сознание;

— человек – тоже энергия в состоянии плотности, проявленная в форме, часть вселенского сознания.

Согласно современной физике все процессы во Вселенной имеют волновую природу и происходят с поглощением или выделением энергии, с ее обретением или потерей. Говоря языком метафизики, человек – поле духовной энергии, заключенное в бесконечно большее энергетическое поле Вселенной. Вселенная словно держит нас в своих объятиях, непрерывно снабжая нас своей силой. А ваша сила определяется тем количеством энергии, которое вы способны взять у этого бесконечного поля, накопить, сберечь, использовать, управлять и возобновлять. Именно способность управлять энергией, находящейся на наших физическом, эмоциональном, умственном и духовнм уровнях определяет степень нашей эффективности.

Всё, что существует вокруг нас – суть энергия, в различных своих состояниях. Частота ее вибрации определяет ее состояние и форму, в которой она проявляется в материальном мире. На “входе” в наш мозг – колебания, мозг же декодирует эти вибрации в картину реального мира. Все вокруг вибрирует на своем уровне реальности. Твердый предмет на самом деле состоит из колеблющихся элементарных частиц, создающих впечатление плотности. На самом деле материей мы называем “замедленную”, «сжатую» энергию, стабилизированную в форме, доступной нашему чувственному восприятию. Это и есть тот самый “физический мир”, воспринимаемый пятью нашими органами чувств. А нематериальный мир как источник, порождающий материю, и есть мир причин.

Академик Г.И. Шипов, заведующий лабораторией международного института теоретической и прикладной физики (г. Москва) говорит: “Все вокруг – это высокоорганизованная пустота”.

Современная наука знает, что вся энергия Вселенной распределяется следующим образом: – темная энергия/материя – 95%,

— обычное неизлучающее вещество – 4,5%,

— обычное излучающее вещество – 0,5%,

— электромагнитный спектр – 0,005%.

Мы же способны видеть лишь только ту часть так называемого «излучающего вещества», которая отражает электромагнитные волны. Темная энергия/материя не отражает свет, поэтому невидима, и ученые определяют ее как «неизвестно что», но ее можно определить по влиянию, которое она оказывает на «видимую» Вселенную. То, что называется «обычным веществом», можно наблюдать благодаря современным технологиям, но оно не до конца изучено. Но уже сейчас астрофизикам известно, что частицы темного вещества могут аннигилироваться, результате чего появляются гамма-излучение и пары вполне материальных частиц и античастиц – электроны и позитроны. Отсюда можно сделать вывод, что темная материя/энергия и есть тот «строительный материал», из которого создано все вокруг. Так энергия превращается в материю. На электромагнитные волны приходится лишь 0,005% от общей массы Вселенной, а человеческий глаз воспринимает (т.е. декодирует в реальность) и вовсе мизерную их часть – видимый свет. Люди практически слепы, поскольку наши глаза обрабатывают только узкий участок электромагнитного спектра, который и сам составляет лишь 0,005% известной энергии/материи!

Реальность – это тот небольшой диапазон частот, который декодирует наш мозг. Это заставляет нас думать, что мы живем в ограниченном мире. Когда же мы по какой-то причине иначе декодируем воспринимаемые частоты, или расширяем привычный для нас диапазон восприятия, мы называем это чудом. Кстати, многие животные могут видеть больший диапазон частот, чем мы. Остается только гадать, а что же скрывается за завесой электромагнитного диапазона?… Бесконечное Сознание!

Нобелевский лауреат Макс Планк на церемонии вручения премии сказал: «Как человек, посвятивший всю свою жизнь самой здравомыслящей науке — изучению материи, могу сообщить вам результат всех моих исследований атома: материи как таковой нет! Всякое вещество существует лишь благодаря силе, которая вызывает колебания атомных частиц и поддерживает целостность микроскопической солнечной системы атома… Мы должны предполагать, что за этой силой кроется сознательный разум, являющийся матрицей всякой материи».

Гениальный Никола Тесла, чьи эксперименты намного опередили свое время и до сих пор не до конца поняты наукой, считал, что вся суть в двух понятиях – вибрация и резонанс. Тесла считал, что при свободном движении элементарного фотона, как энергетической волны, его можно найти с определенной вероятностью в любой точке бесконечного пространства Вселенной. Но, если включить генератор высокочастотных колебаний, которые будут резонировать с частотой данного фотона, он тут же локализуется в виде эфирного резонанса. Другими словами, энергетическая волна под воздействием Наблюдателя (а генератор тоже относится к понятию “наблюдатель”), проявляется как вполне материальная классическая частица. Наш мозг – тоже своего рода генератор управляющих сложномодулированных сигналов, способных входить в резонанс с окружающим нас энергетическим полем.

В свое время академик В.И. Вернадский, вслед за французскими учеными Леруа и Тейяром де Шарденом ввел новое понятие в науке – ноосфера. В 1925 году в статье “Автотрофность человечества” он писал: “В биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе, представлениях научных или имеющих научную основу… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного…»

Наша ДНК – это гигантская молекула, содержащая программный код, написанный на одном языке, – от бактерии до человека – и отвечает за хранение и передачу наследственной информации.

Группа ученых под руководством доктора биологических наук П. П. Гаряева, проводя эксперименты в лаборатории волновой генетики Института проблем управления РАН, получила уникальные результаты, которые позволили выйти на разработку теории волнового генома.

С точки зрения волновой генетики, ДНК работает не только на уровне вещества, но и на уровне электромагнитных и звуковых полей. Исследования привели к выводу, что гены могут существовать в виде электромагнитных полей вокруг хромосом и иметь голографическую структуру. Доказано, что наша ДНК, управляющая развитием организма, является приемо-передающей системой – антенной, воспринимающей управляющую информацию извне. Эта программная информация необходима для развития любого организма на Земле, она приходит к нам из космоса и находится в тех самых 98% ДНК, которые традиционная генетика называет «мусорной», не имея другого объяснения. Эта внешняя информация – суть программы, без которых невозможно нормальное развитие всего живого на Земле. Это план, чертеж и текстовые комментарии, необходимые для построения любого организма. Доказано также, что структура ДНК хорошо соотносится с речевыми характеристиками человеческого языка и по сути является текстом, прочитать который сейчас пытаются ученые. Этот язык жизни – наша наследственная информация – определяется последовательностью четырех различных типов нуклеотидов.

Вся Вселенная пронизана музыкой. Музыка – единый волновой язык мироздания. Ученые обнаружили: в окружающем мире «поет» все – от молекул и хромосом до галактик, а молекула ДНК и вовсе напоминает нотный стан.

Биологи из Калифорнийского университета измерили колебания в хромосомах при помощи инфракрасного спектрометра и, преобразовав их в звуковой спектр, услышали… музыку. Так получился первый саундтрек ДНК, напоминающий медитативные мелодии Индии и Востока. «Поют» не только наша ДНК и наши органы. Как выяснилось в результате изучения молекулярной структуры белков растений, они тоже издают уникальные мелодические звуки, которые заложены в их генетическом коде.

Ученые сравнивают Солнце с духовым музыкальным инструментом – огромным органом, а выбросы с поверхности светила – протуберанцы – с его трубами, издающими и усиливающими звуки. Их волны распространяются со скоростью десятков километров в секунду, длительность каждой ноты составляет 60 минут. «Трубят» и другие космические объекты, возможно – разумные, так считает профессор Владимир Лефевр. «Все разумные существа, какую бы форму они ни имели, используют единый язык для всей Вселенной – музыку, – говорит он. – Одно время я изучал космический объект SS433. Он состоит из двух звезд: гигантской и необычно маленькой. Природу второй астрофизикам до сих пор определить не удается. Одни относят ее к нейтронным звездам, другие – к черным дырам. Маленькая звезда вытягивает из голубой звезды-гиганта вещество, «питается» им, а «излишки» выбрасывает в двух противоположных направлениях в виде тонких струй газа». Проанализировав спектральные линии объекта, ученый получил удивительный результат. Оказалось, что в определенные моменты они соответствуют мелодии из 9 нот: «до – ми – фа – соль – соль – ля – си – до – ре». «В космическом пространстве могут существовать «эфирные существа», считает Лефевр, состоящие из окружающей плазмы, а мелодия – средство передачи какой-то эмоции, то ли координирующей деятельность собственного организма, то ли предназначенной для собратьев по разуму».

Американские исследователи, занимающиеся проблемами защиты и сохранения информации на случай ядерной или иной глобальной катастрофы, решили, по сути, обратную задачу. Их целью было создание принципиально нового типа памяти на основе исключительно живучих микроорганизмов, способных хорошо переносить высокие температуры, обезвоживание и большие дозы радиации. В ДНК таких «сверхбактерий» им удалось «зашить» текст песни It’s a Small World («Это маленький мир»). Поразительно, но внедренная мелодия передавалась по наследству – воспроизводилась в генетическом коде потомства. Как показали эксперименты, песня зафиксировалась в генотипе и без изменений передавалась более чем в ста поколениях.

Источник

Квантовые флуктуации и их энергия

В этой статье я расскажу вам кое-что о том, как работает квантовая механика, в частности, об удивительном явлении под названием «квантовые флуктуации», и как оно применяется в квантовой теории поля, примером которой служит Стандартная Модель (уравнения, используемые нами для предсказания поведения известных элементарных частиц и взаимодействий). Глубокое понимание этого явления и связанной с ним энергии ведёт нас прямиком к одному из самых серьёзных и неразрешённых конфликтов в науке: проблеме космологической постоянной. Также оно ведёт нас к загадке естественности, или к проблеме иерархии.

В квантовой теории поля квантовые флуктуации иногда называют или описывают, как «появление и исчезновение двух или более виртуальных частиц». Этот технический жаргон оказывается очень неудачным, поскольку эти штуки (как бы мы их ни называли), однозначно не являются частицами – к примеру, у них нет определённой массы – а также, поскольку понятие «виртуальной частицы» точно определяется только в присутствии относительно слабых взаимодействий.

Рис. 1

Квантовые флуктуации тесно связаны с принципом неопределённости Гейзенберга. Вот классический, простейший пример (рис. 1). Если поместить шарик на дно чаши, он бесконечно останется там в покое. Этого можно ожидать на основании повседневного опыта. И в отсутствии квантовой механики так бы всё и было. Но если вы поместите очень лёгкую частицу в крохотную чашу или в ловушку другого типа, вы обнаружите, что ей не сидится на дне. Если бы она неподвижно находилась внизу, это нарушило бы принцип неопределённости – гарантирующий, что вы не можете одновременно узнать точно, где находится частица (то есть, на дне) и как она движется (в нашем случае – не движется). Это можно представлять, пусть неидеально, зато практично, как некое постоянное дрожание, влияющее на частицу и не дающее ей успокоиться так, как вам подсказывает интуиция на примере шариков и чаш. Один полезный аспект этой несовершенной картины – она даёт понять, что с этим дрожанием может быть связана энергия.

В квантовой теории поля – квантовых уравнениях для полей, таких, как электрическое, наблюдается схожий эффект. Давайте я его объясню.

Флуктуации квантовых полей

Каждая элементарная частица (а я сейчас говорю о реальных частицах) в нашей Вселенной – это рябь, небольшая волна, волна минимальной возможной интенсивности, идущая по соответствующему элементарному квантовому полю (рис. 2). Частица W – это волна в поле W; фотон – волна в электрическом поле; верхний кварк – волна в поле верхнего кварка.

А если частиц нет? Даже там, где, как мы считаем, есть только пустое пространство, поля всё равно существуют – сидит себе тихонечко, так же, как в пруду есть вода, даже если ни ветер, ни камешки не порождают рябь на его поверхности, и как в комнате есть воздух, даже если там нет никаких звуков.

Рис. 2

Однако штука в том, что эти поля никогда не ведут себя абсолютно тихо. Квантовые поля не поддерживают постоянное значение; их значение в любой точке пространства всегда немного подрагивает. Дрожание называют «квантовыми флуктуациями», и точно так же, как для частицы в крохотной чаше, оно – последствие знаменитого «принципа неопределённости Гейзенберга». Вы не можете узнать значение поля и одновременно его изменение; ваше знание одной из этих величин, а обычно, двух, должно быть несовершенным. И эти флуктуации тоже иногда объясняют как причину наличия двух или более «виртуальных частиц», но это название связано только с техническими аспектами (с подсчётами свойств флуктуаций при помощи знаменитых диаграмм Фейнмана), и не говорит о том, как вам нужно себе это представлять.

Очевидный вопрос: а уверены ли вы в наличии квантовых флуктуаций полей? Ответ: да, хотя пока я объяснять это не буду. Один пример: квантовые флуктуации приводят к тому, что сила взаимодействий плавает, когда вы измеряете её на всё более и более коротких расстояниях – и мы не только наблюдаем этот эффект, он ещё и с высокой точностью совпадает с тем, что мы можем подсчитать при помощи Стандартной Модели. Этот успех подтверждает не только наличие квантовых флуктуаций, но и детальную структуру Стандартной Модели, вплоть до дистанций порядка одной миллионной миллионной миллионной доли метра. Ещё пример: реакцию электрона на магнитное поле можно измерить с точностью до одной триллионной; также её можно подсчитать через Стандартную Модель с точностью до одной триллионной, предполагая наличие флуктуаций в известных нам полях. Удивительно, но измерения совпадают с подсчётами Стандартной Модели.

Что важно, это дрожание порождает определённое количество энергии – довольно много. Сколько? Чем лучше ваш микроскоп (или ускоритель частиц), тем больше дрожания вы видите, и тем больше энергии дрожания вы обнаруживаете.

Энергия квантовых флуктуаций и космологическая постоянная

Рассмотрим коробку с ребром в один метр и спросим: сколько энергии, связанной с дрожанием одного квантового поля, можно насчитать в этой коробке (рис. 3)?

Подсчёт 1: допустим, как показывают наши экспериментальные измерения на Большом Адронном Коллайдере, Стандартная Модель – рабочее описание всех процессов, происходящих на расстояниях больших, чем одна миллионная миллионной миллионной доли метра – назовём это «БАКовым расстоянием», равным примерно 1/1000 радиуса протона, поскольку примерно такой масштаб экспериментов можно проводить на БАК – там доступны процессы, включающие столкновения элементарных частиц с энергиями меньше, чем 1000 массовых энергий протона (той энергии, что E = mc 2 ). Эта энергия – типичная энергия массы самой тяжёлой частицы, которую можно надеяться обнаружить при столкновениях протонов в БАК, так что назовём её «БАКовой энергией». Тода количество энергии флуктуаций каждого поля в Стандартной Модели (допустим, электрического поля) таково: в каждом кубе с размером рёбер, равным БАКовому расстоянию содержится БАКовая энергия. Иначе говоря, плотность энергии составляет одну БАКовую энергию на один БАКовый объём.

Подсчёт 2: допустим, как это связано с вопросом о проблеме иерархии и естественности Вселенной, что Стандартная Модель описывает все процессы физики частиц вплоть до масштабов, на которых гравитация становится сильным взаимодействием – на т.н. планковской длине, которая, в свою очередь, ещё в тысячу миллионов миллионов раз меньше, чем расстояния из подсчёта 1. Тогда количество энергии флуктуаций электрического поля, содержащееся в кубическом метре, больше, чем в подсчёте 1 в

(1 000 000 000 000 000) 4 = 1 с 60 нулями

Рис. 3

В общем, если Стандартная Модель (или любая типичная квантовая теория поля без особых симметрий) верна вплоть до масштабов длины L, то энергия флуктуаций в кубе размером L 3 примерно равна hc/L для каждого поля, где h – постоянная Планка, а c – универсальный предел скорости, известный, как «скорость света». Это значит, что плотность энергии примерно равна hc/L 4 — если L уменьшается в 10 раз, то плотность энергии растёт в 10 000 раз! Именно поэтому числа в подсчётах 1 и 2 получились такими огромными.

Эти утверждения могут показаться вам странными. Они и есть странные – но ведь квантовая физика полна странностей. Более того, ни квантовая механика, ни квантовая теория поля пока нас не подводили. Как я упоминал ранее, у нас есть полно доказательств того, что простейшие подсчёты, аналогичные приведённым, прекрасно работают в квантовой теории поля. Факт существования квантовых флуктуаций вместе с их энергией так глубоко встроен в квантовую механику, что для того, чтобы объявить их ложными, вам нужно будет объяснить целую библиотеку экспериментальных результатов, которым квантовая механика сделала правильные предсказания. Так что, как у учёных, у нас нет другого выхода, как относиться к этим расчётам серьёзно, и пытаться их понять.

У вас может появиться пара очевидных вопросов: почему мы не можем просто определить, есть там эта энергия или нет? Почему вся эта огромная энергия никак не действует на обычную материю и на нас самих? Первая часть ответа: поскольку в каждом кубическом метре пространства содержится одно и то же количество энергии, внутри и снаружи любого куба (рис. 4), который вы сможете нарисовать. Аналогия: внутри дома есть давление воздуха, но дом из-за этого не взрывается, пока снаружи дома находится равное давление воздуха. Точно так же, тот факт, что эта энергия плотности крохотных квантовых флуктуаций постоянна во всём пространстве и времени, означает, что она не оказывает никакого влияния на объекты, покоящиеся или движущиеся сквозь неё. Только изменения энергии во времени или в пространстве будут действовать на частицы, на атомы, состоящие из этих частиц, на людей и планеты, состоящих из этих атомов. И действительно, эта энергия квантовых флуктуаций одинакова везде и всегда, поэтому её невозможно ощутить, попробовать или воспользоваться ею.

Рис. 4

Однако! Ответ, часть 2: хотя в ньютоновской гравитации, в которой гравитация притягивает массы, эта энергия пустого пространства никак себя не проявит, в версии Эйнштейна, где гравитация притягивает энергию и импульс, это уже будет не так. Будет ли правильным подсчёт 1, или подсчёт 2, или нечто среднее, такое огромное количество энергии в каждом кубическом метре пространства – то, что часто называют «тёмной энергией» – должно заставлять Вселенную расширяться с огромной скоростью! Этот механизм привёл к «космической инфляции», фазе, через которую Вселенная, возможно, прошла очень давно, что и сделало её такой равномерной, какой мы видим её сегодня. То, что Вселенная не расширяется с огромной скоростью, говорит о том, что плотность энергии пространства должна быть гораздо меньше плотности энергии обычной материи, а не гораздо больше. В каждом кубическом метре пустого пространства есть только энергия массы одного атома, а в кубическом метре твёрдой материи содержится энергия массы множества атомов – примерно 1 с 30 нулями. То, что в пустом пространстве плотность энергии, по-видимому, очень мала, несмотря на все наши подсчёты того, сколько её должно быть из-за квантовых флуктуаций полей, о которых мы знаем – и есть отец и мать всех великих загадок квантовой физики: проблема космологической постоянной.

Следующий очевидный вопрос: а вы уверены, что у квантовых флуктуаций на самом деле есть энергия, или же, возможно, её там нет, что могло бы устранить проблему космологической постоянной? Ответ: да, я уверен, что у квантовых флуктуаций есть энергия. Она называется нулевой энергией, и она фундаментальна для квантовой механики, благодаря опять-таки принципу неопределённости. И это можно проверить: в хитроумном эксперименте энергию можно заставить работать благодаря эффекту Казимира, который был предсказан в 1940-х, впервые наблюдался в 1970-х и более точно проверен в 1990-х. Однако существуют споры по поводу того, связан ли он на самом деле с нашей темой.

Проблема космологической постоянной весьма серьёзна. Экспериментально нам известно, что Вселенная не расширяется с невероятной скоростью; она делает это довольно медленно; это будет измерение 0 на рис. 3 (снизу). Поэтому:

• Либо этот подсчёт (и даже подсчёт 1, который не делает никаких предположений о том, что нам неизвестно из Стандартной Модели) в чём-то ошибочен, и этой энергии нет,
• Либо действие этой энергии на расширение Вселенной не такое, как мы думаем, поскольку мы неправильно понимаем гравитацию,
• Либо подсчёт правильный, но он отвечает не на тот вопрос каким-то непонятным нам образом.

Этого точно никто не знает. Я расскажу о возможных решениях этой проблемы в отдельной статье о космологической постоянной. Но я упомянул одно интересное решение, которое однозначно не работает, поскольку оно будет связано с другой темой.

Может ли энергия различных полей взаимно уничтожаться?

Есть такая хитрая идея о том, как избавиться от этой энергии. Оказывается, что:

• Энергия флуктуаций бозонных полей (полей для фотона, глюона, W, Z и Хиггса, и даже гравитона) положительна,
• Энергия флуктуаций фермионных полей (полей для электрона, мюона, тау, трёх нейтрино и 6 кварков) отрицательна!

Так что, возможно, хотя энергия каждого поля огромна, когда вы просуммируете энергию всех полей, то общая энергия окажется нулевой – или хотя бы очень малой?

Вы можете провести такие расчёты, и в Стандартной Модели вы увидите, что это не работает; есть слишком много фермионов, и в пустом пространстве должно существовать огромное количество отрицательной энергии.

Одна из крутых вещей теории суперсимметрии в том, что она заставляет вас добавлять именно те частицы, что нужно (суперпартнёры для каждого из известных типов частиц) так, что вы автоматически получаете это взаимное уничтожение! И, на самом деле, это единственный вид теории, известной человечеству, в которой это возможно.

К сожалению, на самом деле это не решает проблемы космологической константы. Если суперсимметрия не проявляется явно [а в нашем мире это невозможно – массы всех известных частиц должны быть идентичны массам их гипотетических суперпартнёров, и тогда мы бы их уже давным-давно нашли], тогда это взаимное уничтожение работает только частично. Частичное уничтожение, способное опровергнуть подсчёт 2, всё равно оставляет вам огромное количество энергии из подсчёта 1. Как отмечено на рис. 3, этого гигантского количества энергии достаточно, чтобы Вселенная вела себя совсем не так, как мы видим, если только с теорией гравитации Эйнштейна что-то не так.

Короче говоря, на сегодня никто не знает хитрого способа автоматически взаимно уничтожить плотность энергии флуктуаций различных полей в мире, описываемом Стандартной Моделью вплоть до БАКовских расстояний. На самом деле, никто даже не знает, как это сделать в любой немного несуперсимметричной квантовой теории поля (и всё равно, комбинирование суперсимметрии с гравитацией возрождает эту проблему).

Иначе говоря: даже если допустить существование особого взаимного уничтожения между бозонными полями природы и фермионными полями природы, судя по всему, такое взаимное уничтожение может произойти только случайно, и в очень-очень малой доле квантовых теорий поля или квантовых теорий любого типа (включая струнную теорию). Таким образом, только очень-очень крохотная часть вселенных, которые можно себе представить, могут хотя бы приблизительно напоминать нашу с вами (или хотя бы ту её часть, которую мы можем наблюдать при помощи глаз и телескопов). В этом смысле, проблема космологической постоянной является проблемой естественности, как этот термин понимают специалисты по физике частиц и их коллеги: поскольку во Вселенной, в которой мы живём, содержится так мало тёмной энергии по сравнению с тем, что мы ожидаем, наша Вселенная очень необычна и нетипична.

Источник