Введение
Общая теория относительности (ОТО) четко показывает взаимосвязь между массой-энергией и структурой пространства-времени, которая имеет реальные физические последствия, которые мы называем гравитацией, где массивные объекты, состоящие из элементарных частиц, создающих свою массу, искривляют пространство-время, что приводит к появлению гравитационной силы. Однако применение тех же принципов на уровне частиц приводит к гравитационным силам, которые настолько малы, что они становятся незначительными. Но на ядерном масштабе протона обнаруживаются чрезвычайно сильные силы конфайнмента, которые в контексте ОТО требовали бы крайне высоких уровней энергии (или масс) для своего создания. На самом деле, такие высокие уровни энергии были предсказаны ранними теориями квантового поля (quantum field theory - QFT), что привело к понятию так называемой "голой массы" частиц, но позже они были перенормированы современной квантовой электродинамикой (quantum electrodynamics - QED) и квантовой хромодинамикой (quantum chromodynamics - QCD) с использованием флуктуаций квантового вакуума как механизма экранирования [1]. Следовательно, можно переформулировать вопрос немного по-другому, не спрашивая, почему гравитация настолько слаба, что не имеет смысла на квантовом уровне, а почему масса протона, которая составляет большую часть массы материального мира, настолько мала. Такой подход к вопросу в конце концов был озвучен другими учеными, такими как Франк Вильчек [2]. Более того, углубляясь в изучение квантовой теории поля и дивергенции голой массы, можно задать более фундаментальный вопрос: являются ли флуктуации квантового вакуума ответственными за экранирование голой массы или они сами являются источником массы и возникающих сил? Это ведет к необходимости пересмотра нашего представления о массе.
Общее представление о том, что масса — это некая неизменная величина, независимая от сил и энергий, было развеяно в начале 1900-х годов благодаря специальной и общей теориям относительности, когда было обнаружено, что существует фундаментальное равенство между понятием массы, энергии и геометрии пространства. На квантовом уровне масса также рассматривается как переменная величина, которая может изменяться и экранироваться. Тем не менее, представление о том, что масса — это нечто изолированное, и что материя — это своего рода застывшие неизменные частицы, всё ещё глубоко укоренено в традиционных взглядах физики. На протяжении истории мы разрабатывали теории, которые утверждали, что гравитационные фундаментальные силы, агломерирующие частицы и организующую материю, такую как галактики, звезды, солнечные системы и планеты, являются результатом кривизны самой структуры пространства. Однако эта кривизна возникает из неопределенного источника энергии, называемого массой, которая появляется из квантовых объектов, которые мы называем частицами. С другой стороны, мы разработали теории, описывающие эти частицы и энергетические структуры как величины, возникающие из очень высокоэнергетических полей, порожденных фундаментальными осцилляциями самого пространства, которые мы называем флуктуациями квантового вакуума, или основным состоянием. Это поле "виртуальных" частиц является источником многих наших современных теорий частиц в квантовой теории поля (QFT), одной из которых является поле Хиггса с ненулевым значением вакуумного ожидания, производящим массу, которое объясняет всего ∼ 1 − 5% массы протона, или для объяснения легкого колебания электрона, как в сдвиге Лэмба. Таким образом, как альтернативная теория гравитаци, так и квантовая теория придают очень физические значения структуре самого пространства с эффектами, которые имеют очень фундаментальные и реальные проявления в реальности.
Флуктуации вакуума или энергия нулевой точки предсказываются самыми точными теориями современной физики, такими как квантовая теория поля (quantum field theory - QFT), квантовая электродинамика (quantum electrodynamics - QED) и квантовая хромодинамика (quantum chromodynamics - QCD). Однако описание вакуума все еще вызывает споры, начиная с ранних работ Планка и Эйнштейна в начале 1900-х годов и вплоть до недавней публикации Милонни и соавторов в 2019 году, которая дает дополнительные сведения о вычислении энергии нулевой точки (ZPE) [1]. Путаница вокруг ZPE возникает из-за её многочисленных различных применений в физике и из-за косвенных эффектов, измеряемых экспериментально (эффект Казимира, сдвиг Лэмба, аномальный магнитный момент и т.д.). ZPE можно рассматривать как источник создания и аннигиляции реальных (спонтанное излучение, эффект Швингера) или виртуальных пар частиц (облачённые частицы, диаграммы Фейнмана), иногда она соответствует энергии основного состояния поля (излучение абсолютно черного тела) или даже фоновому полю, взаимодействующему с частицами, как в случае сдвига Лэмба, или собственной энергии электрона (петля QED). Хотя Планк полагал, что ZPE не будет наблюдаема в экспериментах, сегодня длинный список экспериментальных работ может быть объяснен только с учетом ZPE, например, излучение абсолютно черного тела, спонтанное излучение фотонов, сдвиг Лэмба, эффект Казимира, двойное лучепреломление пульсара, эффект Швингера и т.д.
Здесь мы показываем, что масса и, следовательно, энергия являются возникающими свойствами фундаментальной динамики пространства на квантовом уровне. Мы примеряем эти два взгляда на структуру пространства и демонстрируем, что масса-энергия — это появившееся свойство пространства-времени на квантовом уровне, которое объединяет гравитацию и сильное взаимодействие на всех масштабах в рамках единого механизма1.