"А ти можеш з нічого щось зробити, дядечко?" - "Ні, дружок, з нічого не вийде нічого".
Шекспір, "Король Лір" (пров. Т.Л. Щепкиной-Куперник)
Вакуум - це порожній простір. Його часто використовують як синонім слова "ніщо". Ось чому ідея енергії вакууму здалася такою дивною, коли її вперше висунув Ейнштейн. Однак під впливом досягнень теорії елементарних частинок за останні три десятиліття ставлення фізиків до вакууму докорінно змінилося. Дослідження вакууму тривають, і чим більше ми дізнаємося про нього, тим він здається складніше і дивовижніше.
Згідно сучасним теоріям елементарних частинок, вакуум - це фізичний об'єкт; він може бути заряджений енергією і може перебувати в різноманітних станах. У термінології фізиків ці стани називають різними вакуум. Типи елементарних частинок, їх маси та взаємодії визначаються лежачим в основі вакуумом. Взаємозв'язок між частинками і вакуумом подібна до тієї, що існує між звуковими хвилями і матеріалом, з якого вони поширюються. Вакуум, в якому ми живемо, знаходиться в найнижчому енергетичному стані, його називають "справжнім вакуумом". [32]
Фізики зібрали масу знань про частки, який населяють цей тип вакууму, і сили, що діють між ними. Сильне ядерна взаємодія, наприклад, пов'язує протони і нейтрони в атомних ядрах, електромагнітні сили утримують електрони на їх орбітах навколо ядер, а слабка взаємодія відповідає за поведінку невловимих легких частинок, званих нейтрино. У відповідності зі своїми іменами ці три взаємодії мають дуже різною силою, причому електромагнітне взаємодія займає проміжне положення між сильним і слабким.
Властивості елементарних частинок в інших вакуумі можуть бути зовсім іншими. Невідомо, скільки існує різних вакуумів, але фізика елементарних частинок дозволяє припустити, що їх, ймовірно, повинно бути ще принаймні два, причому володіють більшою симетрією і меншим розмаїттям частинок і взаємодій. Перший з них - це так званий електрослабкої вакуум, в яке електромагнітне і слабке взаємодії мають однакову силу і проявляються як складові однієї об'єднаної сили. Електрони в цьому вакуумі мають нульову масу і не відрізняються від нейтрино. Вони рухаються зі швидкістю світла і не можуть утримуватися всередині атомів. Не дивно, що ми живемо не в цьому типі вакууму.
Другий - це вакуум Великого об'єднання. в якому зливаються всі три типи взаємодій між частинками. У цьому високосімметрічном стані нейтрино, електрони і кварки (з яких складаються протони і нейтрони) стають взаємозамінними. Якщо електрослабкої вакуум майже напевно існує, то вакуум Великого об'єднання - набагато більш умоглядна конструкція. Теорії елементарних частинок, які пророкують його існування, привабливі з теоретичної точки зору, але задіють надзвичайно високі енергії, а їх наглядові підтвердження нечисленні і в основному носять непрямий характер.
Кожен кубічний сантиметр електрослабкої вакууму містить колосальну енергію і - відповідно до співвідношення Ейнштейна між масою і енергією - величезну масу, близько десяти мільйонів трильйонів тонн (це приблизно маса Місяця). Стикаючись з такими величезними числами, фізики переходять на скорочений запис чисел, висловлюючи їх ступенями десятки. Трильйон - це одиниця, за якою слідує 12 нулів; його записують як 10 12. Десять мільйонів трильйонів - це одиниця з 19 нулями; тобто щільність маси електрослабкої вакууму становить 10 19 тонн на кубічний сантиметр. Для вакууму Великого об'єднання щільність маси виявляється ще більше, причому жахливо більше - в 10 48 раз. Зайве нагадувати, що цей вакуум ніколи не створювався в лабораторії: на це треба було б багато більше енергії, ніж доступно при сучасних технологіях.
У порівнянні з цими приголомшливими величинами енергія звичайного істинного вакууму незначна. Довгий час вважалося, що вона в точності дорівнює нулю, однак недавні спостереження вказують на те, що вакуум може мати невеличкий позитивною енергією, яка еквівалентна масі трьох атомів водню на кубічний метр. Значення цього відкриття проясниться в главах 9, 12 і 14.
Високоенергійні вакуум називають "помилковими", оскільки, на відміну від справжнього вакууму, вони нестійкі. Через короткий час, зазвичай малу частку секунди, помилковий вакуум розпадається, перетворюючись на справжній, а його надлишкова енергія вивільняється у вигляді вогняної кулі з елементарних частинок. У наступних розділах ми набагато докладніше розглянемо процес розпаду вакууму.
Якщо вакуум має енергію, то, згідно з Ейнштейном, він повинен мати і натяг. [33] Але, як ми обговорювали в розділі 2, натяг створює відштовхуючий гравітаційний ефект. У разі вакууму відштовхування в три рази сильніше, ніж гравітаційне тяжіння, викликане його масою, так що в сумі виходить дуже сильне відштовхування. Ейнштейн використовував цю антигравітацію вакууму, щоб врівноважити гравітаційне притягання звичайної матерії в своїй стаціонарної моделі світу. Він виявив, що баланс досягається, коли щільність маси матерії в два рази перевершує вакуумну. Гут запропонував інший план: замість врівноваження Всесвіту він хотів її роздмухати. Тому він дозволив відразливою гравітації помилкового вакууму панувати, не зустрічаючи опору.