Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Однако даже если не брать в расчет излучение квазаров, черные дыры все равно не совсем черные. Чтобы понять, почему, вернемся к Международной космической станции. Как мы уже видели, астронавты на борту МКС уверены, и не без оснований, что пребывают в невесомости, и все предметы на борту дружно поддерживают их в этом заблуждении.

Можно взять генератор Ван де Граафа и поставить его посреди МКС. Он из тех устройств, которые часто снимали в старых фильмах ужасов: движущаяся лента генерирует сильный электрический заряд на большой металлической сфере. Кроме того, это верный признак, что вы имеете дело с чокнутым профессором.

С точки зрения наших честных астронавтов, генератор Ван де Граафа повиснет в воздухе. Казалось бы, и пусть его висит.

Невесомость тем и хороша, что все в целом где оставишь, там и висит. Это простое следствие из принципа эквивалентности.

А теперь подумайте, как выглядит то же самое устройство и его заряд снаружи. Давайте я припаркую свой собственный звездолет в отдалении, так, чтобы гравитацией Земли можно было пренебречь.

С моей точки зрения астронавты, космическая станция и генератор Ван де Граафа мчатся со скоростью приблизительно 30 000 километров в час. А главное — космическая станция, астронавты и заряженный генератор постоянно меняют направление движения: они же движутся по кругу, а значит, на них, несомненно, действует ускорение.

А заряды при ускорении излучают. Например, радиопередатчик именно так и работает: заставляет пучок электронов в источнике дрожать и испускать излучение с определенной частотой. В крупных исследовательских центрах вроде Брукхейвенской Национальной лаборатории на Лонг-Айленде есть огромные магнитные кольца, где электроны бегают по красивым круглым орбитам. Устройство в Брукхейвенской лаборатории просто потрясающее. Радиус у него около 800 метров, электроны летают на скорости примерно 99,999999 % скорости света, и ускорение там гораздо сильнее, чем нежное земное тяготение. Таким образом получают так называемое синхротронное излучение и очень полезный экспериментальный источник света.

Обо всем этом я упоминаю для того, чтобы показать, что если генератор Ван де Граафа движется по кругу — даже если это круг, огибающий целую Землю, — то он обязательно испускает какое-то излучение. Но если верить принципу эквивалентности, на борту МКС любой эксперимент должен давать те же результаты, что и вообще без ускорения. Из этого следует, что астронавты не увидят никакого излучения от заряда.

Ускоряющиеся заряды в разных системах отсчета

Это серьезная путаница. Свет или есть, или нет. Он не может зависеть от точки зрения [76] .

Читатель вправе сказать, что я делаю из мухи слона. Ведь какой-то один ускоряющийся заряд — это не так уж много, а гравитационное ускорение Земли совсем не велико по астрономическим понятиям. Однако в реальной вселенной речь идет отнюдь не о единичных зарядах.

Едва ли не самый неожиданный прогноз квантовой механики состоит в том, что даже пустое в нашем представлении пространство, так называемый вакуум, не вполне пусто. Оказывается, мы живем в бурлящем океане частиц и античастиц. Просто мы их обычно не замечаем, поскольку они необычайно эфемерны. Для наглядности: электрон-позитронные пары живут всего около 10^{– 21} секунд и за это время успевают пробежать максимум чуть больше радиуса атомного ядра.

76

Наверное, вы заметили, что я говорю об этом как о своего рода детективной загадке. Это и есть детективная загадка. Проблема в том, что если электроны в генераторе на МКС действительно излучают, то излучают они фотоны с длиной волны во много световых лет. Это не просто на диво огромная величина — она еще и гораздо, неимоверно больше, чем сама космическая станция и масштабы, на которых можно без последствий пренебрегать приливными эффектами. А если не можешь пренебрегать

приливными эффектами, нужно применять принцип эквивалентности очень-очень осторожно. При всем при том общие доводы, касающиеся гравитации, ускорения и излучения, которые я еще приведу, остаются в силе.

Кроме того, поскольку частицы и античастицы всегда имеют противоположный заряд, флуктуации вакуума с электрической точки зрения друг друга гасят.

И есть веская причина полагать, что эта энергия вакуума — вовсе не какая-то безумная выдумка физиков-теоретиков, призванная сделать вселенную еще диковиннее. В 1948 году Хендрик Казимир заметил, что если взять две незаряженные металлические пластины и поместить их очень близко друг к другу, они будут притягиваться друг к другу. Это называется эффектом Казимира и его можно понять только в том случае, если представить себе, что между пластинами роятся виртуальные заряженные частицы, обладающие именно теми свойствами, которые предсказывает пресловутая плотность энергии вакуума.

С другой стороны, есть и веские причины относиться к плотности энергии вакуума с большой осторожностью. В каждой конкретной области пространства создаются фотоны, которые, если помните, сами себе античастицы, со всевозможными длинами волн. Поскольку фотоны с очень маленькой длиной волны обладают очень высокой энергией, из этого естественным образом следует, что в каждый момент энергии вакуума должно быть бесконечно много буквально везде.

Если в уравнениях всплывает бесконечность, то в большинстве случаях это нас не особенно тревожит. Прямо мы энергию не измеряем, а измеряем только разницу. Так что если у нас имеется бесконечность, не страшно: она же везде одинаковая. Спокойно вычитаем ее и уповаем на то, что никто ничего не заметит.

На самом деле можно придумать и более красивый выход из положения. Физики исходят из предположения, что на масштабах меньше некоторого — планковской длины — известная нам физика перестает работать. Из этого следует, что от бесконечности можно избавиться. С другой стороны, даже если бы самая маленькая длина волны фотонов была бы масштаба планковской длины, соответствующая плотность энергии была бы примерно в 10¹²⁰ раз больше, чем реальная плотность энергии во вселенной. Такое чувство, что где-то в вычислениях допущена грубая ошибка.

Поскольку гравитация должна чувствовать всю энергию во вселенной, какая только есть, эта ошибка в гугол раз — самая больная проблема физики. И забывать о ней мы не будем. Однако мы не можем совсем игнорировать существование пар виртуальных частиц, поскольку они играют очень важную роль в устройстве черных дыр.

Представьте себе, что вы сидите в ракете, которая движется в вакууме с ускорением, и кругом постоянно создаются и аннигилируют электроны и позитроны. Каждая из этих виртуальных заряженных частиц выглядит так, словно ускоряется прямо на вас. А как мы теперь знаем, ускоряющиеся частицы испускают излучение. Иначе говоря, если вы находитесь в ускоряющемся звездолете, уже само включение реактивных двигателей заставит вас увидеть излучаемый вакуумом свет. Если бы мы не проделали предварительно упражнений с МКС, вы бы, наверное, решили, что я спятил.

Ускорение в вакууме

То, что ускоряющийся наблюдатель увидит излучение, независимо обнаружили в семидесятые годы сразу несколько ученых, в том числе канадский физик Уильям Унру, в честь которого и получил название этот эффект. В нормальных обстоятельствах эффект этот крошечный. Если выше ускорение составляет 1 g, температура излучения Унру будет всего лишь около 4 x 10^–20 K. Даже по привычным стандартам глубокого космоса это очень холодно.