Тысячелетия назад Аристотель утверждал, что природа не терпит пустоты, рассуждение что объекты будут летать через действительно пустое пространство с невероятной скоростью. В 1277 году французский епископ Этьен Темпье ответил, заявив, что Бог может сделать все, даже создать вакуум.
Тогда простой ученый провернул это. Отто фон Герике изобрел насос для всасывания воздуха из полой медной сферы, создав, возможно, первый высококачественный вакуум на Земле. В театральной демонстрации в 1654 году он показал, что даже две упряжки лошадей, пытающиеся разорвать на части шарик размером с грейпфрут, не могут преодолеть всасывание ничего.
С тех пор вакуум стал краеугольным камнем физики, основой любой теории чего-либо. Вакуум фон Герике был отсутствием воздуха. Электромагнитный вакуум — это отсутствие среды, которая может замедлять свет. А в гравитационном вакууме отсутствует какая-либо материя или энергия, способные искривлять пространство. В каждом случае конкретное разнообразие «ничто» зависит от того, что физики намереваются описать. «Иногда именно так мы определяем теорию, — сказал Патрик Дрейпер, физик-теоретик из Иллинойского университета.
По мере того, как современные физики боролись с более изощренными кандидатами на окончательную теорию природы, они сталкивались с растущим множеством типов ничего. У каждого свое поведение, как будто это разные фазы вещества. Все чаще кажется, что ключом к пониманию происхождения и судьбы вселенной может быть тщательный учет этих множащихся разновидностей отсутствия.
«Мы узнаем, что есть гораздо больше, чтобы узнать ни о чем, чем мы думали», — сказал Изабель Гарсия Гарсия, физик из Института теоретической физики им. Кавли в Калифорнии. «Сколько еще нам не хватает?»
На данный момент такие исследования привели к драматическому выводу: наша Вселенная может находиться на платформе некачественной конструкции, «метастабильном» вакууме, который обречен — в отдаленном будущем — превратиться в ничто другого рода, уничтожая все в процессе. .
Квантовое ничто
Ничто не начало казаться чем-то в 20-м веке, когда физики начали рассматривать реальность как набор полей: объекты, которые заполняют пространство значением в каждой точке (например, электрическое поле говорит вам, какую силу будет ощущать электрон). в разных местах). В классической физике значение поля может быть равно нулю везде, так что оно не имеет влияния и не содержит энергии. «Классически вакуум — это скучно», — сказал Дэниел Харлоу, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. "Ничего не происходит."
Но физики узнали, что поля Вселенной являются квантовыми, а не классическими, что означает, что они по своей природе неопределенны. Вы никогда не поймаете квантовое поле с нулевой энергией. Харлоу сравнивает квантовое поле с набором маятников — по одному в каждой точке пространства — углы которых представляют значения поля. Каждый маятник висит почти прямо вниз, но колеблется взад-вперед.
Оставленное в покое, квантовое поле останется в конфигурации с минимальной энергией, известной как «истинный вакуум» или «основное состояние». (Элементарные частицы — это рябь в этих полях..) «Когда мы говорим о вакууме системы, мы в некоторой степени имеем в виду предпочтительное состояние системы», — сказал Гарсия Гарсия.
Большинство квантовых полей, заполняющих нашу Вселенную, имеют одно и только одно предпочтительное состояние, в котором они останутся навечно. Большинство, но не все.
Истинный и ложный вакуум
В 1970-х годах физики осознали важность другого класса квантовых полей, значения которых предпочитают не равняться нулю даже в среднем. Такое «скалярное поле» похоже на набор маятников, парящих, скажем, под углом 10 градусов. Эта конфигурация может быть основным состоянием: маятники предпочитают этот угол и устойчивы.
В 2012 году экспериментаторы на Большом адронном коллайдере доказали, что скалярное поле, известное как поле Хиггса, пронизывает Вселенную. Сначала, в горячей ранней Вселенной, ее маятники были направлены вниз. Но когда космос остыл, поле Хиггса изменило свое состояние, как вода может замерзнуть в лед, и все его маятники поднялись под одним и тем же углом. (Это ненулевое значение Хиггса — то, что придает многим элементарным частицам свойство, известное как масса.)
При наличии скалярных полей стабильность вакуума не обязательно абсолютна. Маятники поля могут иметь несколько полустабильных углов и склонность к переключению с одной конфигурации на другую. Теоретики не уверены, например, обрело ли поле Хиггса свою абсолютную излюбленную конфигурацию — истинный вакуум. У некоторых есть продемонстрировав тем самым что текущее состояние поля, несмотря на то, что оно сохранялось в течение 13.8 миллиардов лет, лишь временно стабильно или «метастабильно».
Если так, то хорошие времена не будут длиться вечно. В 1980-х годах физики Сидни Коулман и Фрэнк Де Лючия описали, как ложный вакуум скалярного поля может «распадаться». В любой момент, если достаточное количество маятников в каком-то месте колеблется под более благоприятным углом, они потянут своих соседей навстречу, и пузырь истинного вакуума вылетит наружу почти со скоростью света. Он перепишет физику по ходу дела, сметая атомы и молекулы на своем пути. (Не паникуйте. Даже если наш вакуум всего лишь метастабилен, учитывая его живучесть до сих пор, он, вероятно, продержится еще миллиарды лет.)
В потенциальной изменчивости поля Хиггса физики определили первый из практически бесконечного числа способов, которыми ничто может убить нас всех.
Больше проблем, больше пылесосов
По мере того, как физики пытались подогнать подтверждённые законы природы к более широкому набору (заполняя гигантские пробелы в нашем понимании в процессе), они подготовили теории-кандидаты природы с дополнительными полями и другими ингредиентами.
Когда поля накапливаются, они взаимодействуют, воздействуя на маятники друг друга и устанавливая новые взаимные конфигурации, в которых они любят застревать. Физики представляют себе эти вакуумы как долины в изменчивом «энергетическом ландшафте». Разные углы маятника соответствуют разным количествам энергии или высотам в энергетическом ландшафте, и поле стремится понизить свою энергию так же, как камень стремится скатиться вниз. Самая глубокая долина — это основное состояние, но камень может остановиться — во всяком случае, на время — в более высокой долине.
Пару десятилетий назад пейзаж взорвался в масштабах. Физики Джозеф Полчински и Рафаэль Буссо изучали некоторые аспекты теории струн. ведущая математическая структура для описания квантовой стороны гравитации. Теория струн работает только в том случае, если Вселенная имеет около 10 измерений, а дополнительные измерения свернуты в формы, слишком крошечные для обнаружения. Полчински и Буссо рассчитано в 2000 г. что такие дополнительные измерения могут складываться огромным количеством способов. Каждый способ складывания образует отдельный вакуум со своими физическими законами.
Открытие того, что теория струн допускает почти бесчисленное количество вакуумов, перекликается с другим открытием, сделанным почти двумя десятилетиями ранее.
Космологи в начале 1980-х разработали гипотезу, известную как космическая инфляция, которая стала ведущей теорией рождения Вселенной. Теория утверждает, что Вселенная началась с быстрого экспоненциального расширения, что легко объясняет гладкость и огромность Вселенной. Но успехи инфляции имеют свою цену.
Исследователи обнаружили, что как только начнется космическая инфляция, она будет продолжаться. Большая часть вакуума яростно взорвется наружу навсегда. Только конечные области пространства перестанут раздуваться, превратившись в пузыри относительной стабильности, отделенные друг от друга раздутым пространством между ними. Инфляционные космологи считают, что мы называем один из этих пузырей своим домом.
Мультивселенная вакуумов
Для некоторых представление о том, что мы живем в мультивселенной — бесконечном ландшафте вакуумных пузырей — тревожный. Из-за этого природа любого вакуума (например, нашего) кажется случайной и непредсказуемой, ограничивая нашу способность понимать нашу вселенную. Полчинский, который умер в 2018, заявил физик и писатель Сабина Хоссенфельдер, что открытие ландшафта вакуума теории струн изначально сделало его настолько несчастным, что заставило его искать терапию. Если теория струн предсказывает все мыслимые разновидности ничего, предсказала ли она что-нибудь?
Для других множество пылесосов не проблема; -- На самом деле, это добродетель, -- сказал Андрей Линде, выдающийся космолог из Стэнфордского университета и один из разработчиков космической инфляции. Это потому, что мультивселенная потенциально может решить великую загадку: сверхнизкая энергия нашего конкретного вакуума.
Когда теоретики наивно оценивают коллективное колебание всех квантовых полей Вселенной, энергия огромна — достаточно, чтобы быстро ускорить расширение пространства и в короткие сроки разорвать космос на части. Но наблюдаемое ускорение пространства чрезвычайно слабо по сравнению с ним, что позволяет предположить, что большая часть коллективного дрожания компенсируется, и наш вакуум имеет чрезвычайно низкое положительное значение своей энергии.
В одинокой вселенной крохотная энергия единственного и неповторимого вакуума выглядит как глубокая загадка. Но в мультивселенной это просто глупая удача. Если разные пузыри пространства имеют разную энергию и расширяются с разной скоростью, галактики и планеты будут формироваться только в самых вялых пузырях. Таким образом, наш спокойный вакуум не более загадочен, чем орбита Златовласки нашей планеты: мы оказались здесь, потому что почти все остальное негостеприимно для жизни.
Любите вы это или ненавидите, гипотеза мультивселенной, как она понимается в настоящее время, имеет проблему. Несмотря на кажущееся бесконечным меню вакуумов теории струн, до сих пор никто не нашел специфическое свертывание крошечных дополнительных измерений, которое соответствует вакууму, подобному нашему, с его едва положительной энергией. Теория струн, по-видимому, гораздо легче дает вакуум с отрицательной энергией.
Возможно, теория струн не соответствует действительности, или недостаток может заключаться в незрелом понимании ее исследователями. Физики, возможно, не нашли правильного способа обращения с положительной энергией вакуума в рамках теории струн. -- Вполне возможно, -- сказал Натан Сейберг, физик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. «Это горячая тема».
Или наш вакуум может быть просто отрывочным по своей сути. «Существует мнение, что [положительно заряженное] пространство не стабильно», — сказал Зайберг. «Он может распасться на что-то другое, так что это может быть одной из причин, почему так трудно понять его физику».
Эти исследователи подозревают, что наш вакуум не является одним из предпочтительных состояний реальности и что однажды он переместится в более глубокую и стабильную долину. При этом наш вакуум может потерять поле, генерирующее электроны, или приобрести новую палитру частиц. Плотно сложенные размеры можно развернуть. Или вакуум может даже полностью отказаться от существования.
— Это еще один из вариантов, — сказал Харлоу. «Настоящее ничто».
Конец вакуума
Физик Эдвард Виттен впервые открыл «пузырь из ничего” в 1982 году. Изучая вакуум с одним дополнительным измерением, свернутым в крошечный круг в каждой точке, он обнаружил, что квантовые флуктуации неизбежно раскачивают дополнительное измерение, иногда сжимая круг до точки. Когда измерение исчезло в небытие, как обнаружил Виттен, оно унесло с собой все остальное. Нестабильность порождала бы быстро расширяющийся пузырь без внутренней части, чья зеркальная поверхность обозначала бы конец самого пространства-времени.
Эта нестабильность крошечных измерений долгое время мешала теории струн, и были изобретены различные ингредиенты, чтобы сделать их более жесткими. В декабре Гарсия Гарсия вместе с Дрейпером и Бенджамином Лиллардом из Иллинойса рассчитали время жизни вакуума с одним дополнительным скрученным измерением. Они рассмотрели различные стабилизирующие навороты, но обнаружили, что большинство механизмов не смогли остановить пузыри. Их выводы в соответствии с Виттеном: когда размер дополнительного измерения падает ниже определенного порога, вакуум сразу же разрушается. Подобный расчет — распространенный на более сложные модели — может исключить вакуум в теории струн с размерами меньше этого размера.
Однако при достаточно большом скрытом измерении вакуум может существовать многие миллиарды лет. Это означает, что теории, производящие пузыри из ничего, могут правдоподобно соответствовать нашей Вселенной. Если это так, Аристотель, возможно, был прав больше, чем он знал. Природа не может быть большим поклонником вакуума. В очень долгосрочной перспективе он может вообще ничего не предпочесть.
