Wyobraź sobie, jeśli możesz, co by to znaczyło mieć Wszechświat, w którym nie ma absolutnie nic. Mógłbyś wziąć wszystkie różne kwanty materii i energii i usunąć je, pozostawiając Wszechświat bez cząstek lub antycząstek jakiegokolwiek typu. Mógłbyś usunąć wszelkie źródła grawitacji lub krzywizny przestrzennej, redukując swój Wszechświat do niczego więcej niż czysto pustej przestrzeni. Mógłbyś odgrodzić Wszechświat od wszelkich zewnętrznych pól elektrycznych, magnetycznych czy jądrowych, eliminując ich wpływ na czasoprzestrzeń, którą rozważasz. Nawet gdybyś to wszystko zrobił, to i tak nie otrzymałbyś „zera” w bilansie energii Wszechświata. To właśnie chce wiedzieć Niels Hermes, który pisze, by zapytać:

Czy możliwe byłoby rzucenie światła na koncepcję energii punktu zerowego?

To trudna koncepcja, ale spróbujmy się z nią zmierzyć.

Dla każdego układu fizycznego, jaki możemy sobie wymarzyć, zawsze będzie istniała co najmniej jedna konfiguracja, w której możemy go umieścić, która będzie miała najniższą całkowitą ilość energii. Dla serii mas odizolowanych od reszty Wszechświata, jest to czarna dziura. Dla protonu i elektronu jest to atom wodoru w stanie podstawowym (tzn. o najniższej energii). A dla samego Wszechświata jest to utworzenie pustej przestrzeni przy braku jakichkolwiek zewnętrznych pól lub źródeł.

Ten stan o najniższej energii znany jest jako stan energii punktu zerowego. Przez długi czas naukowcy, którzy badali Wszechświat, zakładali, że energia punktu zerowego wynosi zero. Nie z żadnego fizycznego powodu, ale dlatego, że mieliśmy tylko dwa sposoby, aby spróbować do tego dojść, a oba z nich dały odpowiedzi, które wskazywały na problemy z jakąkolwiek wartością inną niż zero.

Po raz pierwszy idea energii punktu zerowego przestrzeni pojawiła się w kontekście (nowej wówczas) teorii grawitacji Einsteina: General Relativity. Według Einsteina, krzywizna przestrzeni determinuje przyszłe zachowanie materii i energii we Wszechświecie, a obecność materii i energii determinuje krzywiznę przestrzeni.

No, prawie. Obecność materii i energii determinuje krzywiznę przestrzeni prawie całkowicie, ale możesz swobodnie dodać stałą do samej przestrzeni. (Ci z was, którzy uczyli się rachunku, rozpoznają tę stałą jako coś, co pojawia się za każdym razem, gdy wykonujemy całkę: określamy odpowiedź całkowicie, aż do stałej addytywnej, „plus c”). Ta stała, czymkolwiek jest, reprezentuje energię punktu zerowego przestrzeni. Kiedy odkryliśmy rozszerzający się Wszechświat, stała ta była całkowicie zbędna i jako taka była wyrzucana przez około 60+ lat.

Drugi raz idea energii punktu zerowego pojawiła się, gdy kwantowa teoria pola zyskała na znaczeniu. Oprócz wszystkich sposobów, w jakie cząstki mogą oddziaływać ze sobą poprzez pola kwantowe przenikające Wszechświat, istniały również wkłady „próżniowe”, które przedstawiały, jak zachowywały się pola kwantowe w próżni kosmicznej.

Poszczególne kanały wnosiły ogromne ilości do tego, co nazywaliśmy „wartością oczekiwaną próżni” tych pól, które zazwyczaj były około ~120 rzędów wielkości większe niż limity obserwacyjne. Ale niektóre z nich były dodatnie, a niektóre ujemne, a wielu zakładało, że wszystkie się znoszą. Dodatkowo, niektóre teorie pola okazały się być dokładnie równoważne teoriom swobodnym (których wartości oczekiwanej próżni wynosiły zero), a więc ponownie założyliśmy, że energia punktu zerowego wynosi zero.

I wtedy, pod sam koniec XX wieku, stało się coś nie do pomyślenia. Zawsze przewidywaliśmy, że Wszechświat się rozszerza, że grawitacja działa na rzecz spowolnienia ekspansji, i że albo:

• grawitacja wygra i ekspansja się odwróci,
• ekspansja wygra i będzie spowalniać na zawsze,
• albo zrównoważą się dokładnie, a ekspansja osiągnie asymptotę do zera, ale nigdy się nie odwróci.

Ale wtedy odkryliśmy, że ekspansja Wszechświata wcale nie zwalnia, lecz że odległe galaktyki oddalają się od nas coraz szybciej w miarę upływu czasu. Wszechświat nie tylko posiadał materię i promieniowanie, ale także nową formę energii: to, co teraz nazywamy ciemną energią. W ciągu 22 lat od tego pierwszego odkrycia, nie tylko potwierdzono wiele dowodów na istnienie ciemnej energii, ale także wykazano, że jest ona nieodróżnialna, z dużą dokładnością, od stałej kosmologicznej.

Dlatego tak bardzo zależy nam na energii punktu zerowego przestrzeni. Obserwacje z wielu linii dowodowych – w tym kosmicznego mikrofalowego tła, odległych źródeł światła (jak supernowe) i grupowania galaktyk we Wszechświecie – wszystkie wskazują na tę samą maleńką, niezerową wartość ilości ciemnej energii we Wszechświecie. Wydaje się, że jest to forma energii nieodłącznie związana z samą przestrzenią, wydaje się nie zmieniać w czasie, wydaje się mieć stałą gęstość wszędzie i zawsze, a my nie wiemy, co ją powoduje.

Dlatego mamy tak silną motywację, aby spróbować zrozumieć, czym jest energia punktu zerowego przestrzeni: właśnie dlatego, że mierzymy ekspansję Wszechświata, która od niej zależy, jako niespójną z wartością zerową tej wielkości. Tak jak atomy wodoru mają skończoną energię stanu podstawowego, tak samo musi być skończona energia stanu podstawowego pustej przestrzeni.

To prowadzi nas do wielkiego pytania: dlaczego? Dlaczego energia punktu zerowego przestrzeni ma taką wartość, jaką ma? Istnieje wiele prawdopodobnych odpowiedzi, ale każda z nich jest w jakiś sposób niezadowalająca.

Może być tak, że stała kosmologiczna z Ogólnej teorii względności po prostu ma taką dodatnią wartość, jaką ma. Wolno jej przyjmować dowolną wartość, a wszystko, co obserwujemy, jest zgodne z tym, że energia punktu zerowego przestrzeni ma małą, stałą, dodatnią wartość od początku gorącego Wielkiego Wybuchu. Jest to pociągające, ponieważ nie wymaga odwoływania się do żadnej nowej fizyki: możemy wyjaśnić to, co obserwujemy, ustawiając jeden wolny parametr równy właściwej obserwowanej wartości. Ale jest to niezadowalające, ponieważ nie ma żadnego mechanizmu ani rozumowania, które pomogłoby nam zrozumieć, dlaczego ma on taką wartość, jaką ma.

Alternatywnie, może być tak, że energia punktu zerowego wszystkich pól kwantowych przenikających Wszechświat sumuje się do obserwowanej wartości wymaganej dla ciemnej energii. Być może, gdybyśmy wiedzieli, jak prawidłowo obliczyć tę wartość, doszlibyśmy do poprawnej odpowiedzi.

Problem z tym scenariuszem polega na tym, że nie wiemy, jak wykonać to obliczenie, a wszystkie nasze próby dają nam odpowiedź, która jest absurdalnie za duża. Możliwe, że istnieje prawie doskonałe, ale nie całkiem anulowanie, które nastąpi, prowadząc nas do poprawnej wartości, ale to trudna propozycja, aby postawić na. „Nie wiemy, jak to zrobić, a zadanie wydaje się trudne, ale nie udowodniono, że jest niemożliwe” nie jest do końca przekonującą linią myślenia.

Ale zawsze są też do rozważenia scenariusze „nowej fizyki”. Jest możliwe, że nie ma stałej kosmologicznej i nie ma wkładu do energii punktu zerowego ze znanych nam pól kwantowych. Moglibyśmy zamiast tego postulować nowy typ pola we Wszechświecie, które mogłoby być:

• wkładem z dowolnej kwantowej teorii grawitacji, która okaże się poprawna,
• resztką pozostałą po wcześniejszym złamaniu symetrii we Wszechświecie (z wielkiej skali unifikacji, skali Higgsa, sektora neutrin itp.), która po prostu ustawia energię punktu zerowego na jej obecną niezerową wartość,
• że istnieje reliktowa ilość energii, która nie do końca wyszła na zero z naszej wcześniejszej epoki inflacyjnej,
• lub że wysoce spekulatywny pomysł krajobrazu strunowego, która sama wymaga wielu niesprawdzonych, wolnych od dowodów założeń na temat tego, jak Wszechświat zachowywał się przed gorącym Wielkim Wybuchem, po prostu „wylądowała na wartości, którą widzimy dzisiaj” dla wartości energii punktu zerowego (lub wartości oczekiwanej próżni) pustej przestrzeni.

W przypadku braku rozwiązania, wszystkie możliwości – bez względu na to, jak źle umotywowane się wydają – powinny być rozważone.

Bez względu na to, jaka jest odpowiedź na zagadkę energii punktu zerowego, istnieją dwa fakty, którym nie możemy zaprzeczyć. Pierwszym z nich jest to, że ciemna energia jest prawdziwa, potwierdzona przez szereg niezależnych linii dowodowych, bez których nasz Wszechświat po prostu nie może się obejść. Jest ona spójna z posiadaniem stałej wartości wszędzie w przestrzeni i w czasie: zachowuje się w sposób, który jest nie do odróżnienia od przestrzeni posiadającej niezerową, stałą energię punktu zerowego.

Drugi fakt jest taki, że bez względu na rozwiązanie, nadal musimy liczyć się z obecnością pól kwantowych – nakazanych przez prawa fizyki – przenikających nasz Wszechświat. Dopóki nie wiemy, jak obliczyć tę wartość, każde proponowane rozwiązanie wymaga przyjęcia bezpodstawnego założenia, że jakakolwiek jest ta wartość. Energia punktu zerowego pustej przestrzeni jest niespójna z wartością zero. Istnieje wiele możliwych źródeł tej niezerowej wartości, ale jej ostateczna przyczyna wciąż pozostaje tajemnicą.

Wyślij swoje pytania do Ethana na adres startswithabang at gmail dot com!