Представьте, что вы хотите опустошить коробку. Действительно, по-настоящему опустошить ее. Вы вынимаете все видимое содержимое, откачиваете все газы и, применяя некоторые научно-фантастические технологии, удаляете все невидимые материалы, такие как темная материя. Что останется внутри, согласно квантовой механике?

Это звучит как вопрос с подвохом. А в квантовой механике принято ожидать ответа с подвохом. Мало того, что коробка по-прежнему наполнена энергией, так еще и все ваши усилия по ее опустошению едва ли уменьшили ее количество.

Этот неизбежный остаток известен как энергия основного состояния, или энергия нулевой точки. Она существует в двух основных формах: Та, что в коробке, связана с полями, такими как электромагнитное поле, а другая - с дискретными объектами, такими как атомы и молекулы. Вы можете приглушить колебания поля, но не можете устранить все следы его присутствия. А атомы и молекулы сохраняют энергию, даже если их охладить произвольно близко к абсолютному нулю. В обоих случаях в основе лежит одна и та же физика.

Энергия нулевой точки характерна для любой материальной структуры или объекта, который хотя бы частично ограничен, например, для атома, удерживаемого электрическими полями в молекуле. Ситуация напоминает ситуацию с шаром, осевшим на дно долины. Полная энергия шара состоит из его потенциальной энергии (связанной с положением) и кинетической энергии (связанной с движением). Чтобы обнулить обе составляющие, вам придется придать точное значение и положению объекта, и его скорости, что запрещено принципом неопределенности Гейзенберга.

Что существование нулевой энергии скажет вам на более глубоком уровне, зависит в конечном итоге от того, какую интерпретацию квантовой механики вы примете. Единственное, что можно сказать, не вызывающее споров, - это то, что если поместить группу частиц в состояние с наименьшей энергией и измерить их положение или скорость, то можно наблюдать разброс значений. Несмотря на то, что частицы лишены энергии, они будут выглядеть так, как будто их покачивали. В некоторых интерпретациях квантовой механики так и есть. Но в других - видимость движения является вводящим в заблуждение пережитком классической физики, и нет интуитивного способа понять, что происходит.

Энергия нулевой точки была впервые представлена Максом Планком в 1911 году. После этого "я думаю, что именно Эйнштейн впервые воспринял ее всерьез", - говорит Питер Милонни из Рочестерского университета, теоретик, изучающий квантовый вакуум. Эйнштейн и другие ученые использовали энергию нулевой точки для объяснения множества явлений, включая тонкие колебания молекул и кристаллических решеток даже в их самых низких энергетических состояниях, а также неспособность жидкого гелия конденсироваться в твердое тело при обычном давлении даже при столь низких температурах, что можно было бы ожидать, что атомы зафиксируются на месте.

Самый свежий пример был опубликован в 2025 году исследователями из Европейского центра рентгеновских лазеров на свободных электронах под Гамбургом и других учреждений. Они охладили йодопиридин, органическую молекулу, состоящую из 11 атомов, почти до абсолютного нуля и ударили по ней лазерным импульсом, чтобы разорвать ее атомные связи. Команда обнаружила, что движения освобожденных атомов коррелируют, что указывает на то, что, несмотря на охлажденное состояние, молекула йодопиридина вибрировала. "Изначально это не было главной целью эксперимента", - говорит Ребекка Болл, физик-экспериментатор из Центра. "По сути, это то, что мы обнаружили".

Пожалуй, самый известный эффект энергии нулевой точки в поле был предсказан Хендриком Казимиром в 1948 году, замечен в 1958 году и окончательно наблюдался в 1997 году. Две пластины из электрически незаряженного материала, которые Казимир представлял себе как параллельные металлические листы, хотя подойдут и другие формы и вещества, оказывают друг на друга силу. По мнению Казимира, пластины будут действовать как своеобразная гильотина для электромагнитного поля, отсекая длинноволновые колебания таким образом, чтобы исказить энергию нулевой точки. Согласно наиболее принятому объяснению, в некотором смысле энергия вне пластин выше, чем энергия между ними, и эта разница притягивает пластины друг к другу.

Квантовые теоретики поля обычно описывают поля как набор осцилляторов, каждый из которых имеет свою собственную энергию нулевой точки. В поле существует бесконечное число осцилляторов, а значит, поле должно содержать бесконечное количество энергии нулевой точки. Когда физики поняли это в 1930-40-х годах, они сначала сомневались в теории, но вскоре смирились с бесконечностью. В физике - или в большей части физики, во всяком случае, - разница энергий - это то, что действительно имеет значение, и, соблюдая осторожность, физики могут вычесть одну бесконечность из другой, чтобы увидеть, что осталось.

Но для гравитации это не работает. Еще в 1946 году Вольфганг Паули понял, что бесконечное или, по крайней мере, гигантское количество энергии нулевой точки должно создать гравитационное поле, достаточно мощное, чтобы взорвать Вселенную. "Все виды энергии гравитируют", - говорит Шон Кэрролл, физик из Университета Джонса Хопкинса. "Это касается и энергии вакуума, поэтому игнорировать ее нельзя". Почему эта энергия остается гравитационно приглушенной, до сих пор остается загадкой для физиков.

В квантовой физике нулевая энергия вакуума - это не просто постоянная проблема, и это не просто причина, по которой вы никогда не сможете по-настоящему опустошить коробку. Вместо того чтобы быть чем-то там, где не должно быть ничего, это ничто обладает потенциалом быть чем угодно.

"Самое интересное в вакууме то, что каждое поле, а значит, и каждая частица, так или иначе представлены, - говорит Милонни. Даже если в вакууме нет ни одного электрона, он содержит "электронность". Нулевая энергия вакуума - это совокупный эффект всех возможных форм материи, включая те, которые нам еще предстоит открыть.

Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в углублении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических наук и наук о жизни.

Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta Magazine.