چگونه فیزیک هیچ چیز زیربنای همه چیز است

هزاران سال پیش، ارسطو اظهار داشت که طبیعت از خلاء بیزار است. استدلال که اجسام در فضای واقعاً خالی با سرعت غیرممکن پرواز می کنند. در سال 1277، اسقف فرانسوی اتین تمپیر با شلیک گلوله ای اعلام کرد که خدا می تواند هر کاری انجام دهد، حتی خلاء ایجاد کند.

سپس یک دانشمند صرف آن را بیرون کشید. Otto von Guericke پمپی اختراع کرد که هوا را از داخل یک کره مسی توخالی مکش می کرد و شاید اولین خلاء با کیفیت بالا را بر روی زمین ایجاد کرد. در یک نمایش تئاتری در سال 1654، او نشان داد که حتی دو تیم اسب که برای پاره کردن توپی به اندازه گریپ فروت تلاش می کردند، نمی توانند بر مکش هیچ چیز غلبه کنند.

از آن زمان، خلاء به یک مفهوم پایه در فیزیک تبدیل شده است، که پایه و اساس هر نظریه ای در مورد چیزی است. خلاء فون گوریکه نبود هوا بود. خلاء الکترومغناطیسی عدم وجود محیطی است که بتواند نور را کاهش دهد. و خلاء گرانشی فاقد هرگونه ماده یا انرژی است که بتواند فضا را خم کند. در هر مورد، تنوع خاص هیچ بستگی به چیزی دارد که فیزیکدانان قصد توصیف آن را دارند. گفت: "گاهی اوقات، این روشی است که ما یک نظریه را تعریف می کنیم." پاتریک دریپر، فیزیکدان نظری در دانشگاه ایلینویز.

همانطور که فیزیکدانان مدرن با نامزدهای پیچیده تری برای نظریه نهایی طبیعت دست و پنجه نرم کرده اند، با تعداد فزاینده ای از انواع هیچ مواجه شده اند. هر کدام رفتار خاص خود را دارند، گویی فاز متفاوتی از یک ماده هستند. به طور فزاینده ای، به نظر می رسد که کلید درک منشأ و سرنوشت جهان ممکن است حسابرسی دقیق این گونه های غیبت رو به رشد باشد.

گفت: "ما در حال یادگیری هستیم که چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد هیچ چیز بیش از آنچه فکر می کردیم وجود دارد." ایزابل گارسیا گارسیا، فیزیکدان ذرات در موسسه کاولی برای فیزیک نظری در کالیفرنیا. "چقدر بیشتر از دست رفته ایم؟"

تاکنون، چنین مطالعاتی به یک نتیجه‌گیری دراماتیک منجر شده است: جهان ما ممکن است بر روی سکویی از ساختار نامرغوب قرار گیرد، خلاء «دروپایدار» که محکوم است - در آینده‌ای دور - به هیچ چیز دیگری تبدیل شود و همه چیز را در این فرآیند نابود کند. .

هیچی کوانتومی

در قرن بیستم هیچ چیز شبیه چیزی به نظر نمی رسید، زیرا فیزیکدانان واقعیت را مجموعه ای از میدان ها می دانستند: اجسامی که فضا را با مقداری در هر نقطه پر می کنند (مثلاً میدان الکتریکی به شما می گوید که یک الکترون چقدر نیرو احساس می کند. در جاهای مختلف). در فیزیک کلاسیک، مقدار یک میدان در همه جا می تواند صفر باشد به طوری که هیچ تاثیری نداشته باشد و انرژی نداشته باشد. گفت: "به طور کلاسیک، خلاء خسته کننده است." دنیل هارلو، فیزیکدان نظری در موسسه فناوری ماساچوست. "هیچ اتفاقی نمی افتد."

اما فیزیکدانان دریافتند که میدان‌های جهان کوانتومی هستند، نه کلاسیک، به این معنی که آنها ذاتا نامشخص هستند. شما هرگز میدان کوانتومی با انرژی دقیقاً صفر را نخواهید گرفت. هارلو یک میدان کوانتومی را به آرایه‌ای از آونگ‌ها - یکی در هر نقطه از فضا - تشبیه می‌کند که زوایای آن نشان‌دهنده مقادیر میدان است. هر آونگ تقریباً مستقیم به پایین آویزان است اما به عقب و جلو تکان می خورد.

اگر میدان کوانتومی به حال خود رها شود، در پیکربندی کمینه انرژی خود که به عنوان «خلاء واقعی» یا «حالت پایه» شناخته می‌شود، باقی می‌ماند. (ذرات بنیادی در این میدان ها موج هایی هستندگارسیا گارسیا گفت: «وقتی در مورد خلاء یک سیستم صحبت می کنیم، به نوعی وضعیت مطلوب سیستم را در نظر داریم.

بیشتر میدان‌های کوانتومی که جهان ما را پر می‌کنند، یک و تنها یک حالت ترجیحی دارند که در آن تا ابد باقی خواهند ماند. بیشتر، اما نه همه.

جاروبرقی درست و غلط

 در دهه 1970، فیزیکدانان به اهمیت طبقه متفاوتی از میدان‌های کوانتومی پی بردند که مقادیر آن‌ها ترجیح می‌دهند حتی به طور متوسط ​​صفر نباشند. چنین «میدان اسکالر» مانند مجموعه‌ای از آونگ‌ها است که مثلاً در زاویه 10 درجه معلق هستند. این پیکربندی می تواند حالت پایه باشد: آونگ ها آن زاویه را ترجیح می دهند و پایدار هستند.

در سال 2012، آزمایشگران در برخورد دهنده بزرگ هادرون ثابت کردند که میدان اسکالر معروف به میدان هیگز در جهان نفوذ می کند. در ابتدا، در جهان داغ و اولیه، آونگ های آن به سمت پایین بود. اما با سرد شدن کیهان، میدان هیگز تغییر حالت داد، تا آنجا که آب می تواند به یخ منجمد شود و آونگ های آن همگی به یک زاویه بالا رفتند. (این مقدار هیگز غیرصفر همان چیزی است که به بسیاری از ذرات بنیادی خاصیت معروف به جرم می دهد.)

با میدان های اسکالر در اطراف، پایداری خلاء لزوما مطلق نیست. آونگ های یک میدان ممکن است چندین زوایای نیمه پایدار داشته باشند و تمایلی برای تغییر از یک پیکربندی به پیکربندی دیگر داشته باشند. نظریه پردازان مطمئن نیستند که آیا میدان هیگز، برای مثال، پیکربندی مورد علاقه مطلق خود را پیدا کرده است یا خیر. برخی دارند استدلال کرد وضعیت کنونی این میدان، علیرغم اینکه برای 13.8 میلیارد سال ادامه داشته است، تنها به طور موقت پایدار است، یا "بی ثبات".

اگر چنین است، زمان های خوب برای همیشه دوام نمی آورند. در دهه 1980، فیزیکدانان سیدنی کلمن و فرانک دی لوچیا چگونگی این کار را شرح دادند خلاء کاذب یک میدان اسکالر می تواند "تجزیه" شود. در هر لحظه، اگر پاندول‌های کافی در یک مکان به سمت زاویه مطلوب‌تری حرکت کنند، همسایه‌های خود را می‌کشند تا با آنها ملاقات کنند و حباب خلاء واقعی با سرعت تقریباً نور به سمت بیرون پرواز می‌کند. در حین حرکت، فیزیک را بازنویسی می‌کند و اتم‌ها و مولکول‌های موجود در مسیر خود را از بین می‌برد. (هراس نشوید. حتی اگر خلاء ما فقط ناپایدار باشد، با توجه به قدرت ماندگاری آن تا کنون، احتمالاً میلیاردها سال دیگر دوام خواهد آورد.)

در تغییرپذیری بالقوه میدان هیگز، فیزیکدانان اولین راه از تعداد عملا بی نهایت راه را شناسایی کردند که هیچی می تواند همه ما را بکشد.

مشکلات بیشتر، خلاء بیشتر

همانطور که فیزیکدانان تلاش کرده اند قوانین تایید شده طبیعت را در مجموعه ای بزرگتر (پر کردن شکاف های بزرگ در درک ما در این فرآیند) تطبیق دهند، آنها تئوری های نامزدی از طبیعت را با میدان های اضافی و سایر مواد تشکیل داده اند.

وقتی زمین‌ها روی هم انباشته می‌شوند، با هم تعامل می‌کنند و بر آونگ‌های یکدیگر تأثیر می‌گذارند و پیکربندی‌های متقابل جدیدی را ایجاد می‌کنند که دوست دارند در آن گیر کنند. فیزیکدانان این خلاءها را به صورت دره هایی در یک «چشم انداز انرژی» متحرک تصور می کنند. زوایای مختلف آونگ مربوط به مقادیر مختلف انرژی یا ارتفاعات در چشم انداز انرژی است و یک میدان به دنبال کاهش انرژی خود است همانطور که یک سنگ به دنبال غلتیدن به سمت پایین است. عمیق ترین دره حالت پایه است، اما سنگ می تواند - به هر حال برای مدتی - در دره ای بالاتر آرام بگیرد.

چند دهه پیش، چشم انداز در مقیاس منفجر شد. فیزیکدانان جوزف پولچینسکی و رافائل بوسو در حال مطالعه جنبه های خاصی از نظریه ریسمان بودند. چارچوب ریاضی پیشرو برای توصیف سمت کوانتومی گرانش. نظریه ریسمان تنها در صورتی کار می‌کند که جهان 10 بعد داشته باشد و ابعاد اضافی به شکل‌هایی بسیار ریز جمع شوند که قابل تشخیص نباشد. پولچینسکی و بوسو محاسبه شده در سال 2000 که چنین ابعاد اضافی می تواند به روش های بسیار زیادی جمع شود. هر روش تا کردن یک خلاء متمایز با قوانین فیزیکی خاص خود را تشکیل می دهد.

این کشف که نظریه ریسمان به خلاءهای بی شماری اجازه می دهد که با کشف دیگری از نزدیک به دو دهه قبل همراه باشد.

کیهان شناسان در اوایل دهه 1980 فرضیه ای به نام تورم کیهانی ارائه کردند که به نظریه اصلی تولد کیهان تبدیل شده است. این تئوری معتقد است که جهان با یک انفجار سریع از انبساط نمایی آغاز شد، که به راحتی صافی و عظمت جهان را توضیح می دهد. اما موفقیت های تورم بهایی دارد.

محققان دریافتند که به محض شروع تورم کیهانی، همچنان ادامه خواهد داشت. بیشتر خلاء برای همیشه به شدت به بیرون منفجر می شود. فقط نواحی محدودی از فضا می‌توانند از باد شدن بازمانند و به حباب‌هایی با ثبات نسبی تبدیل شوند که با باد کردن فضای بین آن‌ها از یکدیگر جدا می‌شوند. کیهان شناسان تورمی معتقدند که ما یکی از این حباب ها را خانه می نامیم.

چندجهانی از خلاءها

برای برخی، این تصور که ما در یک جهان چندگانه زندگی می کنیم - منظره ای بی پایان از حباب های خلاء - این است مزاحم. این باعث می‌شود ماهیت هر خلاء (مانند خلاء ما) تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی به نظر برسد و توانایی ما برای درک جهان را محدود می‌کند. پولچینسکی، که در سال 2018 درگذشت, گفته شده فیزیکدان و نویسنده سابین هوسنفلدر که کشف چشم انداز خلاء نظریه ریسمان در ابتدا او را چنان بدبخت کرد که او را به دنبال درمان سوق داد. اگر نظریه ریسمان هر گونه غیر قابل تصوری را پیش بینی می کند، آیا چیزی را پیش بینی کرده است؟

برای دیگران، انبوهی از جاروبرقی ها مشکلی نیست. گفت: "در واقع، این یک فضیلت است." آندره لیند، کیهان شناس برجسته در دانشگاه استنفورد و یکی از توسعه دهندگان تورم کیهانی. این به این دلیل است که چندجهان به طور بالقوه یک راز بزرگ را حل می کند: انرژی بسیار کم خلاء خاص ما.

وقتی نظریه پردازان ساده لوحانه لرزش جمعی همه میدان های کوانتومی کیهان را تخمین می زنند، انرژی بسیار زیاد است - به اندازه ای که انبساط فضا را به سرعت تسریع کند و در کوتاه مدت کیهان را از هم جدا کند. اما شتاب مشاهده شده فضا در مقایسه با آن بسیار ملایم است، و نشان می دهد که بسیاری از لرزش های جمعی از بین می روند و خلاء ما ارزش مثبت فوق العاده کمی برای انرژی خود دارد.

در یک جهان منفرد، انرژی کوچک تنها خلاء مانند یک پازل عمیق به نظر می رسد. اما در یک جهان چندگانه، این فقط یک شانس احمقانه است. اگر حباب‌های مختلف فضا انرژی‌های متفاوتی داشته باشند و با سرعت‌های متفاوتی منبسط شوند، کهکشان‌ها و سیارات فقط در بی‌حال‌ترین حباب‌ها تشکیل می‌شوند. پس خلاء آرام ما اسرارآمیزتر از مدار گلدیلاک سیاره ما نیست: ما خودمان را اینجا می یابیم زیرا بیشتر جاهای دیگر برای زندگی غیرممکن است.

آن را دوست داشته باشید یا از آن متنفر باشید، فرضیه چندجهانی همانطور که در حال حاضر درک می شود یک مشکل دارد. علیرغم منوی به ظاهر نامتناهی خلاءهای نظریه ریسمان، تاکنون هیچ کس پیدا نکرده است یک تا شدن خاص از ابعاد کوچک اضافی که با خلاءی مانند خلاء ما، با انرژی مثبت آن به سختی مطابقت دارد. به نظر می رسد نظریه ریسمان خلاءهای انرژی منفی را بسیار راحت تر ایجاد می کند.

شاید نظریه ریسمان نادرست باشد، یا این نقص ممکن است ناشی از درک نابالغ محققان از آن باشد. ممکن است فیزیکدانان راه درستی برای مدیریت انرژی خلاء مثبت در نظریه ریسمان نداشته باشند. گفت: "این کاملا ممکن است." ناتان سیبرگ، فیزیکدان موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی. "این یک موضوع داغ است."

یا خلاء ما فقط می تواند ذاتاً ناقص باشد. سیبرگ گفت: «نظر غالب این است که فضای [با انرژی مثبت] پایدار نیست. این می تواند به چیز دیگری تبدیل شود، بنابراین این می تواند یکی از دلایلی باشد که درک فیزیک آن بسیار دشوار است.

این محققان گمان می‌کنند که خلاء ما یکی از حالت‌های ترجیحی واقعیت نیست و روزی خود را به دره‌ای عمیق‌تر و پایدارتر خواهد رساند. با انجام این کار، خلاء ما می تواند میدان تولید الکترون را از دست بدهد یا پالت جدیدی از ذرات را بگیرد. ابعاد محکم تا شده ممکن است باز شوند. یا خلاء حتی می تواند به طور کامل وجود را رها کند.

هارلو گفت: "این یکی دیگر از گزینه هاست." "یک هیچ چیز واقعی."

پایان خلاء

فیزیکدان ادوارد ویتن اولین بار کشف کردحباب هیچدر سال 1982. او در حین مطالعه یک خلاء با یک بعد اضافی که در هر نقطه به صورت دایره‌ای کوچک جمع شده بود، دریافت که لرزش‌های کوانتومی به ناچار بعد اضافی را تکان می‌دهند و گاهی دایره را تا یک نقطه کوچک می‌کنند. ویتن دریافت که وقتی بعد به نیستی محو شد، هر چیز دیگری را با خود برد. این ناپایداری یک حباب به سرعت در حال انبساط بدون فضای داخلی ایجاد می کند، سطح آینه مانند آن پایان خود فضا-زمان را نشان می دهد.

این ناپایداری ابعاد کوچک مدتهاست که نظریه ریسمان را تحت تاثیر قرار داده است و مواد مختلفی برای سفت کردن آنها ابداع شده است. در ماه دسامبر، گارسیا گارسیا، همراه با دریپر و بنجامین لیلارد از ایلینوی، طول عمر یک خلاء را با یک بعد خمیده اضافی محاسبه کردند. آنها زنگ ها و سوت های تثبیت کننده مختلفی را در نظر گرفتند، اما دریافتند که بیشتر مکانیسم ها در متوقف کردن حباب ها شکست خورده اند. نتیجه گیری آنها با Witten's تراز شد: وقتی اندازه بعد اضافی به زیر یک آستانه خاص رسید، خلاء یکباره فرو ریخت. یک محاسبه مشابه - که به مدل‌های پیچیده‌تر تعمیم داده می‌شود - می‌تواند خلاء را در نظریه ریسمان با ابعاد کمتر از آن اندازه رد کند.

با این حال، خلاء با ابعاد پنهان به اندازه کافی بزرگ می تواند میلیاردها سال زنده بماند. این بدان معناست که نظریه‌هایی که حباب‌هایی از هیچ تولید می‌کنند، می‌توانند به طور قابل قبولی با جهان ما مطابقت داشته باشند. اگر چنین است، شاید ارسطو بیش از آنچه می دانست درست می گفت. طبیعت ممکن است طرفدار زیادی از خلاء نباشد. در دراز مدت، ممکن است هیچ چیز را ترجیح ندهد.