לפני אלפי שנים, אריסטו טען שהטבע מתעב ריק, הנמקה שאובייקטים יעופו בחלל ריק באמת במהירויות בלתי אפשריות. בשנת 1277, הבישוף הצרפתי אטיין טמפייר ירה לאחור, והכריז שאלוהים יכול לעשות הכל, אפילו ליצור ואקום.
ואז רק מדען הוציא את זה. אוטו פון Guericke המציא משאבה כדי לשאוב את האוויר מתוך כדור נחושת חלול, והקימה אולי את הוואקום האיכותי הראשון על פני כדור הארץ. בהפגנה תיאטרלית ב-1654, הוא הראה שאפילו שני צוותים של סוסים שמתאמצים לקרוע את הכדור בגודל אשכולית לא יכלו להתגבר על היניקה של כלום.
מאז, הוואקום הפך למושג יסוד בפיזיקה, הבסיס לכל תיאוריה של משהו. הוואקום של פון גוריק היה היעדר אוויר. הוואקום האלקטרומגנטי הוא היעדר מדיום שיכול להאט את האור. ואקום כבידה חסר כל חומר או אנרגיה המסוגלים לכופף חלל. בכל מקרה, המגוון הספציפי של כלום תלוי באיזה סוג של משהו מתכוונים פיזיקאים לתאר. "לפעמים, זו הדרך בה אנו מגדירים תיאוריה," אמר פטריק דרייפר, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת אילינוי.
ככל שהפיזיקאים המודרניים התמודדו עם מועמדים מתוחכמים יותר לתיאוריית הטבע האולטימטיבית, הם נתקלו במספר הולך וגדל של סוגים של כלום. לכל אחד יש התנהגות משלו, כאילו זה שלב אחר של חומר. יותר ויותר, נראה שהמפתח להבנת מקורו וגורלו של היקום עשוי להיות התחשבנות מדוקדקת של זני ההיעדרות המתרבים הללו.
"אנחנו לומדים שיש הרבה יותר ללמוד על כלום ממה שחשבנו", אמר איזבל גרסיה גרסיה, פיזיקאי חלקיקים במכון קוולי לפיזיקה תיאורטית בקליפורניה. "כמה עוד חסר לנו?"
עד כה, מחקרים כאלה הובילו למסקנה דרמטית: היקום שלנו עשוי לשבת על פלטפורמה של בנייה עלובה, ואקום "מטיסטי" שנועד - בעתיד הרחוק - להפוך לסוג אחר של כלום, ולהרוס כל דבר בתהליך. .
אין קוונטים
שום דבר לא התחיל להיראות כמו משהו במאה ה-20, כאשר פיזיקאים החלו לראות את המציאות כאוסף של שדות: עצמים הממלאים את החלל בערך בכל נקודה (השדה החשמלי, למשל, אומר לך כמה כוח ירגיש אלקטרון במקומות שונים). בפיזיקה הקלאסית, ערכו של שדה יכול להיות אפס בכל מקום כך שאין לו השפעה ואינו מכיל אנרגיה. "באופן קלאסי, הוואקום משעמם", אמר דניאל הארלו, פיזיקאי תיאורטי במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. "שום דבר לא קורה."
אבל הפיזיקאים למדו שהשדות של היקום הם קוונטיים, לא קלאסיים, מה שאומר שהם אינם בטוחים מטבעם. לעולם לא תתפוס שדה קוונטי עם אפס אנרגיה בדיוק. הארלו משווה שדה קוונטי למערך של מטוטלות - אחת בכל נקודה במרחב - שהזוויות שלהן מייצגות את ערכי השדה. כל מטוטלת תלויה כמעט ישר למטה אבל מתעצבנת קדימה ואחורה.
כשנשאר לבדו, שדה קוונטי יישאר בתצורת האנרגיה המינימלית שלו, המכונה "הוואקום האמיתי" או "מצב הקרקע שלו". (חלקיקים יסודיים הם אדוות בשדות אלה.) "כשאנחנו מדברים על הוואקום של מערכת, יש לנו בחשבון בצורה רופפת את המצב המועדף של המערכת", אמר גרסיה גרסיה.
לרוב השדות הקוונטיים שממלאים את היקום שלנו יש מצב מועדף אחד, ויחיד אחד, שבו הם יישארו לנצח. רוב, אבל לא כולם.
שואבי אבק נכון ושקר
בשנות ה-1970, הפיזיקאים הבינו את המשמעות של מחלקה שונה של שדות קוונטיים שהערכים שלהם מעדיפים לא להיות אפס, אפילו בממוצע. "שדה סקלרי" כזה הוא כמו אוסף של מטוטלות שכולן מרחפות בזווית של 10 מעלות, למשל. תצורה זו יכולה להיות מצב הקרקע: המטוטלות מעדיפות את הזווית הזו והן יציבות.
בשנת 2012, ניסויים במאיץ ההדרונים הגדול הוכיחו ששדה סקלרי המכונה שדה היגס מחלחל ליקום. בתחילה, ביקום החם והמוקדם, המטוטלות שלו הצביעו כלפי מטה. אבל כשהקוסמוס התקרר, שדה היגס שינה מצב, ככל שמים יכולים לקפוא לקרח, והמטוטלות שלו כולן עלו לאותה זווית. (ערך היגס שאינו אפס הוא מה שנותן לחלקיקים יסודיים רבים את התכונה המכונה מסה.)
עם שדות סקלרים מסביב, היציבות של הוואקום אינה בהכרח מוחלטת. למטוטלות של שדה עשויות להיות זוויות חצי יציבות מרובות ונטייה למעבר מתצורה אחת לאחרת. תיאורטיקנים אינם בטוחים אם שדה היגס, למשל, מצא את התצורה המוחלטת המועדפת עליו - הוואקום האמיתי. לחלק יש טען שמצבו הנוכחי של השדה, למרות שנמשך 13.8 מיליארד שנים, יציב באופן זמני בלבד, או "מתמיד".
אם כן, הזמנים הטובים לא יימשכו לנצח. בשנות ה-1980 תיארו הפיזיקאים סידני קולמן ופרנק דה לוצ'יה כיצד ואקום שווא של שדה סקלרי עלול "להתכלות". בכל רגע, אם מספיק מטוטלות במיקום כלשהו ירעידו את דרכן לזווית נוחה יותר, הן יגררו את שכניהן לפגוש אותן, ובועה של ואקום אמיתי תעוף החוצה במהירות כמעט קלה. הוא ישכתב את הפיזיקה תוך כדי כך, ותפרק את האטומים והמולקולות בדרכו. (אל תיכנס לפאניקה. גם אם הוואקום שלנו הוא רק יציב, בהתחשב בכוח העמידה שלו עד כה, הוא כנראה יחזיק מעמד עוד מיליארדי שנים.)
בהשתנות הפוטנציאלית של שדה היגס, פיזיקאים זיהו את הראשונה מתוך מספר אינסופי של דרכים שבהן הכלום יכול להרוג את כולנו.
יותר בעיות, יותר שואבים
כשפיזיקאים ניסו להתאים את חוקי הטבע המאושרים לקבוצה גדולה יותר (השלמת פערים ענקיים בהבנתנו בתהליך), הם בישלו תיאוריות מועמדות של הטבע עם תחומים נוספים ומרכיבים אחרים.
כאשר שדות נערמים, הם מקיימים אינטראקציה, משפיעים זה על המטוטלות של זה ומבססים תצורות הדדיות חדשות שבהן הם אוהבים להיתקע. פיזיקאים מדמיינים את הוואקום האלה כעמקים ב"נוף אנרגיה" מתגלגל. זוויות מטוטלת שונות מתאימות לכמויות שונות של אנרגיה, או גבהים בנוף האנרגיה, ושדה מבקש להוריד את האנרגיה שלו בדיוק כפי שאבן מבקשת להתגלגל במורד. העמק העמוק ביותר הוא מצב הקרקע, אבל האבן יכולה לנוח - לזמן מה, בכל מקרה - בעמק גבוה יותר.
לפני כמה עשורים, הנוף התפוצץ בקנה מידה. הפיזיקאים ג'וזף פולצ'ינסקי ורפאל בוסו חקרו היבטים מסוימים של תורת המיתרים, המסגרת המתמטית המובילה לתיאור הצד הקוונטי של כוח הכבידה. תורת המיתרים עובדת רק אם ליקום יש איזה 10 ממדים, כשהמימדים הנוספים מכורבלים לצורות זעירות מכדי לזהות. פולצ'ינסקי ובוסו מחושב בשנת 2000 שממדים נוספים כאלה יכולים להתקפל במספר עצום של דרכים. כל דרך קיפול תיצור ואקום מובהק עם חוקים פיזיקליים משלה.
התגלית שתורת המיתרים מאפשרת כמעט אינספור שואבי אבק, התחברה עם תגלית נוספת מכמעט שני עשורים קודם לכן.
קוסמולוגים בתחילת שנות ה-1980 פיתחו השערה הידועה בשם אינפלציה קוסמית שהפכה לתיאוריה המובילה של לידת היקום. התיאוריה גורסת שהיקום התחיל בפרץ מהיר של התפשטות מעריכית, מה שמסביר בצורה נוחה את חלקות היקום ועצמותו. אבל להצלחות האינפלציה יש מחיר.
החוקרים גילו שברגע שהאינפלציה הקוסמית תתחיל, היא תימשך. רוב הוואקום יתפוצץ באלימות כלפי חוץ לנצח. רק אזורים סופיים של החלל יפסיקו להתנפח, ויהפכו לבועות של יציבות יחסית המופרדות זו מזו על ידי ניפוח החלל ביניהן. קוסמולוגים אינפלציוניים מאמינים שאנו קוראים לאחת מהבועות הללו בית.
רב-יקום של שואבי אבק
בעיני חלקם, התפיסה שאנו חיים ברב-יקום - נוף אינסופי של בועות ואקום - היא מטריד. זה גורם לטבעו של כל ואקום אחד (כמו שלנו) להיראות אקראי ובלתי צפוי, ומרסן את היכולת שלנו להבין את היקום שלנו. פולצ'ינסקי, מי מת ב 2018, אמר לי הפיזיקאית והסופרת סבין הוזנפלדר שגילוי נוף השואבים של תורת המיתרים גרם לו בתחילה להיות כל כך אומלל עד שהוביל אותו לפנות לטיפול. אם תורת המיתרים מנבאת כל מגוון שניתן להעלות על הדעת של כלום, האם היא חזה משהו?
בעיני אחרים, שפע השואבים אינו מהווה בעיה; "למעשה, זו סגולה," אמר אנדריי לינד, קוסמולוגית בולטת באוניברסיטת סטנפורד ואחד ממפתחי האינפלציה הקוסמית. הסיבה לכך היא שהרב-יקום פותר תעלומה גדולה: האנרגיה הנמוכה במיוחד של הוואקום המסוים שלנו.
כאשר תיאורטיקנים מעריכים באופן נאיבי את הריצוד הקולקטיבי של כל השדות הקוונטיים של היקום, האנרגיה היא עצומה - מספיק כדי להאיץ במהירות את התפשטות החלל ובקיצור, לקרוע את הקוסמוס. אבל התאוצה הנצפית של החלל היא מתונה ביותר בהשוואה, מה שמרמז שחלק גדול מהרעידות הקולקטיביות מתבטל ולוואקום שלנו יש ערך חיובי נמוך במיוחד לאנרגיה שלו.
ביקום בודד, האנרגיה הזעירה של הוואקום האחד והיחיד נראית כמו פאזל עמוק. אבל ברב-יקום, זה פשוט מזל מטומטם. אם לבועות שונות של החלל יש אנרגיות שונות והן מתרחבות בקצב שונה, גלקסיות וכוכבי לכת ייווצרו רק בבועות הכי רדומות. הוואקום הרגוע שלנו, אם כן, אינו מסתורי יותר ממסלול הזהבה של כוכב הלכת שלנו: אנו מוצאים את עצמנו כאן כי רוב כל מקום אחר אינו מסביר פנים לחיים.
תאהבו את זה או תשנאו את זה, להשערת הרב-יקומים כפי שמובנת כרגע יש בעיה. למרות תפריט השואבים האינסופי לכאורה של תורת המיתרים, עד כה אף אחד לא מצא קיפול ספציפי של ממדים קטנטנים נוספים התואם לוואקום כמו שלנו, עם האנרגיה החיובית שלו בקושי. נראה שתורת המיתרים מניבה שואבי אנרגיה שלילית הרבה יותר בקלות.
אולי תורת המיתרים אינה נכונה, או שהפגם יכול לנבוע בהבנה הבוסרית של החוקרים לגביה. ייתכן שפיזיקאים לא מצאו את הדרך הנכונה להתמודד עם אנרגיית ואקום חיובית בתוך תורת המיתרים. "זה בהחלט אפשרי," אמר נתן זייברג, פיזיקאי במכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ניו ג'רזי. "זה נושא חם".
או שהוואקום שלנו יכול להיות רק מעורפל מטבעו. "הדעה הרווחת היא שהחלל [בעל אנרגיה חיובית] אינו יציב", אמר סייברג. "זה יכול להתפרק למשהו אחר, אז זו יכולה להיות אחת הסיבות לכך שכל כך קשה להבין את הפיזיקה של זה."
חוקרים אלה חושדים שהוואקום שלנו אינו אחד מהמצבים המועדפים על המציאות, ושיום אחד הוא ירעיד את עצמו לעמק עמוק ויציב יותר. בכך, הוואקום שלנו עלול לאבד את השדה שיוצר אלקטרונים או לקלוט פלטה חדשה של חלקיקים. הממדים המקופלים היטב עלולים להתפרק. או שהוואקום יכול אפילו לוותר לחלוטין על הקיום.
"זו עוד אחת מהאפשרויות," אמר הארלו. "כלום אמיתי."
סוף הוואקום
הפיזיקאי אדוארד וויטן גילה לראשונה את "בועה של כלום" ב-1982. בעודו חקר ואקום עם ממד נוסף אחד מכורבל למעגל זעיר בכל נקודה, הוא גילה שריצוצים קוונטיים בהכרח מטלטלים את הממד הנוסף, ולפעמים מכווצים את המעגל לנקודה. כשהמימד נעלם לריק, גילה ויטן, הוא לקח איתו את כל השאר. חוסר היציבות תוליד בועה המתרחבת במהירות ללא פנים, המשטח דמוי המראה שלה מסמן את סוף המרחב-זמן עצמו.
חוסר היציבות הזו של ממדים זעירים פקדה מזה זמן רב את תורת המיתרים, ומרכיבים שונים הומצאו כדי להקשיח אותם. בדצמבר, גרסיה גרסיה, יחד עם דרייפר ובנג'מין לילארד מאילינוי, חישבו את משך החיים של ואקום עם ממד אחד מסולסל נוסף. הם שקלו פעמונים ושריקות מייצבים שונים, אבל הם גילו שרוב המנגנונים לא הצליחו לעצור את הבועות. המסקנות שלהם מיושר עם זה של Witten: כאשר גודל הממד הנוסף ירד מתחת לסף מסוים, הוואקום קרס בבת אחת. חישוב דומה - כזה שהורחב למודלים מתוחכמים יותר - יכול לשלול שואבים בתורת המיתרים עם ממדים מתחת לגודל זה.
אולם עם ממד נסתר גדול מספיק, הוואקום יכול לשרוד מיליארדי שנים רבים. זה אומר שתיאוריות המייצרות בועות של כלום יכולות להתאים באופן סביר ליקום שלנו. אם כך, ייתכן שאריסטו צדק יותר ממה שידע. ייתכן שהטבע אינו מעריץ גדול של הוואקום. בטווח הארוך במיוחד, הוא עשוי לא להעדיף כלום.
