Однако Есть еще одно место , где виртуальные частицы играют ключевую роль

роль, которая на самом деле может иметь большее отношение к центральному вопросу этой книги.
Оказывается, они ответственны за большую часть вашей массы, а
также за все, что видно во Вселенной.

Один из больших успехов в 1970- х годах в нашем фундаментальном понимании
материи пришел с открытием теории, которая точно описывает
взаимодействия кварков, частиц, которые составляют протоны и нейтроны
, образующие основную массу материала, из которого вы и все, что вы можете видеть
, сделаны. Математика, связанная с теорией, сложна, и
потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были разработаны методы, которые могли бы справиться с ней,
особенно в режиме, когда сильное взаимодействие между кварками
стало заметно. Были предприняты титанические усилия, включая создание
некоторых из самых сложных компьютеров параллельной обработки, которые
одновременно используют десятки тысяч отдельных процессоров, чтобы
попытаться вычислить фундаментальные свойства протонов и нейтронов,
частиц, которые мы фактически измеряем.

После всей этой работы у нас теперь есть хорошая картина
того, как на самом деле выглядит внутренняя часть протона. В нем могут содержаться три кварка, но
есть также много другого материала. В частности, виртуальные частицы, отражающие
частицы и поля, передающие сильное взаимодействие между кварками, появляются
и исчезают все время. Вот снимок того, как
все выглядит на самом деле. Это, конечно, не настоящая фотография, а скорее художественное
изображение математики, управляющей динамикой кварков и
поля, которые их связывают. Странные формы и различные оттенки отражают
силу полей, взаимодействующих друг с другом и с кварками внутри
протона, когда виртуальные частицы спонтанно появляются и исчезают.

Протон периодически полно виртуальных частиц и, в самом деле, когда
мы пытаемся оценить, насколько сильно они могут влиять на массы
протона, мы увидим, что кварки сами предоставляют очень мало из общей
массы и, что поля, создаваемые этими частицами способствуют большая часть
энергии, которая переходит в протон энергия покоя и, следовательно, его массы покоя. То
же самое верно и для нейтрона, и поскольку вы состоите из протонов и
нейтронов, то же самое верно и для вас!

Итак, если мы можем вычислить влияние виртуальных частиц на
пустое пространство внутри атомов и вокруг них, и мы можем вычислить влияние виртуальных
частиц на пустое пространство внутри протонов, то разве мы
не должны быть в состоянии вычислить влияние виртуальных частиц на действительно пустое пространство?

Ну, этот расчет на самом деле сделать сложнее. Это происходит потому, что, когда мы
рассчитать влияние виртуальных частиц, атомов или масса протона, мы
на самом деле расчета полной энергии атома или Протона в том числе и
виртуальные частицы; тогда, мы рассчитает энергии, виртуальных частиц
, будет способствовать не атом или Протон настоящее время (т. е. в пустом пространстве);
и затем вычесть два числа, чтобы найти чистое воздействие на
атом или Протон. Мы делаем это потому, что получается, что каждый из этих двух
энергии формально бесконечны, когда мы пытаемся решить соответствующие
уравнения, но когда мы вычитаем две величины, мы получим конечную
разность, и притом такую, которая точно согласуется с измеренным значением!

Однако если мы хотим вычислить влияние виртуальных частиц только на пустое
пространство, нам нечего вычитать, и поэтому ответ, который мы получаем
, бесконечен.

Однако бесконечность не является приятной величиной, по крайней мере
, для физиков, и мы стараемся избегать ее, когда это возможно. Ясно, что энергия
пустого пространства (или что - либо еще, если на то пошло) не может быть физически бесконечной,
поэтому мы должны найти способ сделать расчет и получить конечный ответ.

Источник бесконечности легко описать. Когда мы рассматриваем все
возможные виртуальных частиц, которые могут появиться в неопределенности Гейзенберга
принцип (который, напоминаю, говорит, что неопределенность измеряемой
энергии системы обратно пропорциональна продолжительности периода, в течение
которого вы его соблюдать) предполагает, что частицы, несущие никогда больше энергии может
появиться спонтанно из ничего покуда, они то исчезают в
evershorter раз. В принципе, частицы поэтому могут нести почти бесконечное количество
энергии до тех пор, пока они исчезают за бесконечно короткое время.

Однако законы физики, как мы их понимаем, применимы только к
расстояниям и временам, превышающим определенную величину, соответствующую масштабу
, в котором должны учитываться эффекты квантовой механики при попытке
понять гравитацию (и связанные с ней эффекты на пространстве - времени). Пока у нас нет
теории “ квантовой гравитации ”, как ее называют, мы не можем доверять экстраполяциям
, которые выходят за эти пределы.

Таким образом, мы можем надеяться, что новая физика, связанная с квантовой
гравитацией, каким - то образом отсечет эффекты виртуальных частиц, которые живут меньше
времени, чем “ планковское время ”, как его называют. Если мы затем рассмотрим
кумулятивные эффекты только виртуальных частиц с энергиями, равными или
меньшими, чем допускает это временное ограничение, мы придем к конечной оценке
энергии, которую виртуальные частицы вносят в ничто.

Но есть одна проблема. Эта оценка оказывается примерно такой

1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,
000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,
000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,
000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

раз больше, чем энергия, связанная со всей известной материей во
Вселенной, включая темную материю!

Если расчет расстояний на уровне атомной энергии, включая виртуальные
частицы, является лучшим вычислением во всей физике, то эта оценка энергетического
пространства — на 120 порядков больше, чем энергия всего остального во
Вселенной, — несомненно, худшая! Если бы энергия пустого пространства была
где - нибудь рядом с такой большой, индуцированная сила отталкивания (помните, что энергия
пустого пространства соответствует космологической постоянной) была бы достаточно большой
, чтобы взорвать Землю сегодня, но что более важно, она была бы
настолько велико в ранние времена, что все, что мы сейчас видим в нашей Вселенной, распалось бы
так быстро в первую долю секунды Большого
взрыва, что не образовалось бы ни структуры, ни звезд, ни планет, ни людей
.

Эта проблема, правильно названная проблемой космологической постоянной,
возникла задолго до того, как я стал аспирантом, и впервые была
раскрыта русским космологом Яковом Зельдовичем около 1967 года. Она
остается нерешенной и, возможно, является самой глубокой нерешенной фундаментальной
проблемой в современной физике.

Несмотря на то, что
более сорока лет мы понятия не имели, как решить эту проблему, мы, физики - теоретики, знали, каков ответ.

быть. Как и тот четвероклассник, который, как я предположил, предположил бы, что
энергия пустого пространства должна быть равна нулю, мы тоже чувствовали, что, когда
будет выведена окончательная теория, она объяснит, как эффекты виртуальных частиц
будут отменены, оставляя пустое пространство с точно нулевой энергией. Или ничего.
Вернее, Ничего.

Наши рассуждения были лучше, чем у четвероклассника, по крайней мере, мы так думали. Нам
нужно было уменьшить величину энергии пустого пространства от поистине
гигантской величины, которую предлагала наивная оценка, до величины, согласующейся
с верхними пределами, допускаемыми наблюдениями. Это потребовало бы какого - то способа
вычесть из очень большого положительного числа другое очень большое положительное
число, так что эти два числа будут отменены до 120 знаков после запятой, оставив что - то
ненулевое в 121- м десятичном знаке! Но в науке нет прецедента, чтобы
аннулирование двух больших чисел с такой точностью, когда остается только что - то
крошечное.

Однако ноль - это число, которое легко произвести. Симметрии природы
часто позволяют нам продемонстрировать, что существуют точно равные и противоположные
вклады, поступающие из разных частей вычисления,
которые точно уравновешиваются, и точно ничего не остается. Или, опять же, Ничего.