นับพันปีมาแล้ว อริสโตเติลยืนยันว่าธรรมชาติเกลียดชังสุญญากาศ เหตุผล ว่าวัตถุจะบินผ่านพื้นที่ว่างอย่างแท้จริงด้วยความเร็วที่เป็นไปไม่ได้ ในปี 1277 บิชอปชาวฝรั่งเศส Etienne Tempier ตอบโต้กลับโดยประกาศว่าพระเจ้าสามารถทำได้ทุกอย่าง แม้กระทั่งสร้างสุญญากาศ
จากนั้นนักวิทยาศาสตร์เพียงคนเดียวก็ดึงมันออกมา Otto von Guericke ได้ประดิษฐ์เครื่องสูบน้ำเพื่อดูดอากาศจากภายในทรงกลมทองแดงกลวง ซึ่งอาจสร้างสุญญากาศคุณภาพสูงเครื่องแรกในโลก ในการสาธิตการแสดงละครในปี ค.ศ. 1654 เขาแสดงให้เห็นว่าแม้แต่ม้าสองทีมที่พยายามฉีกลูกบอลขนาดเท่าเกรปฟรุตก็ไม่สามารถเอาชนะการดูดอะไรเลยได้
ตั้งแต่นั้นมา สุญญากาศได้กลายเป็นแนวคิดพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเป็นรากฐานของทฤษฎีใดๆ ของบางสิ่งบางอย่าง สูญญากาศของ Von Guericke คือการขาดอากาศ สุญญากาศแม่เหล็กไฟฟ้าคือการไม่มีตัวกลางที่สามารถชะลอแสงได้ และสูญญากาศแรงโน้มถ่วงไม่มีสสารหรือพลังงานใด ๆ ที่สามารถดัดพื้นที่ได้ ในแต่ละกรณี ความหลากหลายเฉพาะของไม่มีอะไรขึ้นอยู่กับสิ่งที่นักฟิสิกส์ตั้งใจจะอธิบาย “บางครั้ง มันเป็นวิธีที่เรากำหนดทฤษฎี” . กล่าว แพทริค เดรเปอร์นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์
ในขณะที่นักฟิสิกส์สมัยใหม่ได้ต่อสู้กับผู้สมัครที่มีความซับซ้อนมากขึ้นสำหรับทฤษฎีขั้นสูงสุดของธรรมชาติ พวกเขาได้พบกับความว่างเปล่าหลายประเภทที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แต่ละคนมีพฤติกรรมของตัวเองราวกับว่าเป็นช่วงที่แตกต่างกันของสาร ดูเหมือนว่ากุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจต้นกำเนิดและชะตากรรมของจักรวาลมากขึ้นเรื่อยๆ อาจเป็นการบัญชีอย่างรอบคอบถึงการหายไปของความหลากหลายที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้
“เรากำลังเรียนรู้ว่ามีอะไรอีกมากมายให้เรียนรู้เกี่ยวกับอะไรมากกว่าที่เราคิด” . กล่าว อิซาเบล การ์เซีย การ์เซียนักฟิสิกส์อนุภาคจากสถาบัน Kavli สำหรับฟิสิกส์เชิงทฤษฎีในแคลิฟอร์เนีย “เรายังขาดอีกเท่าไหร่”
จนถึงตอนนี้ การศึกษาดังกล่าวได้นำไปสู่ข้อสรุปที่น่าทึ่ง: จักรวาลของเราอาจนั่งอยู่บนพื้นที่มีโครงสร้างต่ำ สุญญากาศ "แพร่กระจายได้" ที่จะถึงวาระ — ในอนาคตอันไกลโพ้น — เพื่อเปลี่ยนเป็นความว่างเปล่าอีกแบบหนึ่ง ซึ่งทำลายทุกอย่างในกระบวนการ .
ความว่างเปล่าของควอนตัม
ไม่มีอะไรเริ่มดูเหมือนบางอย่างในศตวรรษที่ 20 เมื่อนักฟิสิกส์มองว่าความเป็นจริงเป็นชุดของสนาม: วัตถุที่เติมช่องว่างด้วยค่าในแต่ละจุด (เช่น สนามไฟฟ้า บอกคุณว่าอิเล็กตรอนจะรู้สึกได้ถึงแรงมากแค่ไหน ในที่ต่างๆ) ในฟิสิกส์คลาสสิก ค่าของสนามสามารถเป็นศูนย์ได้ทุกที่ ดังนั้นจึงไม่มีอิทธิพลและไม่มีพลังงาน “ในทางคลาสสิก สุญญากาศนั้นน่าเบื่อ” . กล่าว แดเนียลฮาร์โลว์นักฟิสิกส์ทฤษฎีที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ “ไม่มีอะไรเกิดขึ้น”
แต่นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ว่าสนามของจักรวาลเป็นแบบควอนตัม ไม่ใช่แบบคลาสสิก ซึ่งหมายความว่ามีความไม่แน่นอนโดยเนื้อแท้ คุณจะไม่มีวันจับสนามควอนตัมที่มีพลังงานเป็นศูนย์อย่างแน่นอน Harlow เปรียบสนามควอนตัมกับอาร์เรย์ของลูกตุ้ม - หนึ่งจุดในอวกาศ - ซึ่งมุมแสดงถึงค่าของฟิลด์ ลูกตุ้มแต่ละตัวห้อยลงมาเกือบตรง แต่กระวนกระวายใจไปมา
ปล่อยให้อยู่คนเดียว สนามควอนตัมจะยังคงอยู่ในการกำหนดค่าพลังงานขั้นต่ำที่เรียกว่า "สูญญากาศที่แท้จริง" หรือ "สถานะพื้นดิน" (อนุภาคมูลฐานเป็นระลอกคลื่นในสาขาเหล่านี้.) “เมื่อเราพูดถึงสุญญากาศของระบบ เรานึกถึงสถานะที่ต้องการของระบบอย่างหลวมๆ” การ์เซีย การ์เซียกล่าว
สนามควอนตัมส่วนใหญ่ที่เติมเต็มจักรวาลของเรามีสถานะที่ต้องการเพียงแห่งเดียวและเพียงแห่งเดียวเท่านั้นที่จะคงอยู่ชั่วนิรันดร์ ส่วนใหญ่แต่ไม่ทั้งหมด
เครื่องดูดฝุ่นจริงและเท็จ
ในปี 1970 นักฟิสิกส์เริ่มเห็นคุณค่าของคลาสที่แตกต่างกันของสนามควอนตัมที่มีค่านิยมไม่เป็นศูนย์ แม้แต่โดยเฉลี่ย “สนามสเกลาร์” ดังกล่าวเป็นเหมือนกลุ่มลูกตุ้มที่โฉบอยู่ที่มุม 10 องศา การกำหนดค่านี้สามารถเป็นสถานะพื้นได้: ลูกตุ้มชอบมุมนั้นและมีเสถียรภาพ
ในปี 2012 นักทดลองที่ Large Hadron Collider ได้พิสูจน์ว่าสนามสเกลาร์ที่เรียกว่าสนามฮิกส์แทรกซึมไปทั่วจักรวาล ในตอนแรก ในเอกภพยุคแรกๆ ที่ร้อนระอุ ลูกตุ้มของมันชี้ลง แต่เมื่อจักรวาลเย็นตัวลง สนามฮิกส์ก็เปลี่ยนสถานะ มากเท่ากับที่น้ำสามารถกลายเป็นน้ำแข็งได้ และลูกตุ้มของมันก็ลอยขึ้นไปในมุมเดียวกัน (ค่า Higgs ที่ไม่ใช่ศูนย์นี้เป็นค่าที่ทำให้อนุภาคมูลฐานจำนวนมากมีคุณสมบัติที่เรียกว่ามวล)
ด้วยสนามสเกลาร์รอบ ๆ ความเสถียรของสุญญากาศไม่จำเป็นต้องแน่นอน ลูกตุ้มของสนามอาจมีมุมกึ่งเสถียรหลายมุมและมีความลาดเอียงในการเปลี่ยนจากการกำหนดค่าหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง นักทฤษฎีไม่แน่ใจว่าเขตข้อมูล Higgs ได้พบการกำหนดค่าที่ชื่นชอบที่สุดแล้วหรือไม่ นั่นคือสุญญากาศที่แท้จริง บางคนมี ที่ถกเถียงกันอยู่ ว่าสถานะปัจจุบันของสนามนี้ แม้จะคงอยู่นานถึง 13.8 พันล้านปี แต่ก็มีเสถียรภาพเพียงชั่วคราวหรือ "แพร่กระจายได้"
ถ้าเป็นเช่นนั้น ช่วงเวลาที่ดีจะไม่คงอยู่ตลอดไป ในช่วงทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์ Sidney Coleman และ Frank De Luccia อธิบายว่า สูญญากาศเท็จ ของสนามสเกลาร์สามารถ "สลาย" เมื่อใดก็ตามที่ลูกตุ้มเพียงพอในบางตำแหน่งกระวนกระวายใจในมุมที่ดีกว่า พวกเขาจะลากเพื่อนบ้านมาพบกับพวกเขา และฟองอากาศสูญญากาศที่แท้จริงจะบินออกไปด้านนอกด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง มันจะเขียนฟิสิกส์ขึ้นมาใหม่ ทำลายอะตอมและโมเลกุลในเส้นทางของมัน (อย่าตื่นตระหนก แม้ว่าสุญญากาศของเราจะแพร่กระจายได้เพียงระยะแพร่กระจาย เมื่อพิจารณาถึงพลังที่คงอยู่จนถึงขณะนี้ ก็น่าจะคงอยู่ได้อีกหลายพันล้านปี)
ในการกลายพันธุ์ที่อาจเกิดขึ้นของสนาม Higgs นักฟิสิกส์ได้ระบุวิธีแรกในจำนวนที่ไม่มีที่สิ้นสุดในทางปฏิบัติที่ความว่างเปล่าสามารถฆ่าเราทุกคนได้
ปัญหามากขึ้น เครื่องดูดฝุ่นมากขึ้น
ในขณะที่นักฟิสิกส์พยายามปรับกฎหมายที่ยืนยันแล้วของธรรมชาติให้อยู่ในชุดที่ใหญ่ขึ้น (เติมช่องว่างขนาดยักษ์ในความเข้าใจของเราในกระบวนการนี้) พวกเขาได้ปรุงทฤษฎีผู้สมัครของธรรมชาติด้วยฟิลด์เพิ่มเติมและส่วนผสมอื่นๆ
เมื่อสนามกองพะเนิน พวกมันโต้ตอบกัน มีอิทธิพลต่อลูกตุ้มของกันและกัน และสร้างการกำหนดค่าร่วมกันใหม่ที่พวกเขาชอบที่จะติดอยู่ นักฟิสิกส์นึกภาพสูญญากาศเหล่านี้เป็นหุบเขาใน "ภูมิทัศน์พลังงาน" ที่หมุนวน มุมลูกตุ้มที่แตกต่างกันสอดคล้องกับปริมาณพลังงานที่แตกต่างกัน หรือระดับความสูงในแนวพลังงาน และสนามพยายามที่จะลดพลังงานลงเช่นเดียวกับหินที่พยายามจะกลิ้งลงเนิน หุบเขาที่ลึกที่สุดคือสภาพพื้นดิน แต่หินสามารถหยุดนิ่งได้ — ในช่วงเวลาหนึ่ง — ในหุบเขาที่สูงขึ้น
เมื่อสองสามทศวรรษก่อน ภูมิทัศน์ขยายใหญ่ขึ้น นักฟิสิกส์ Joseph Polchinski และ Raphael Bousso กำลังศึกษาบางแง่มุมของทฤษฎีสตริง กรอบทางคณิตศาสตร์ชั้นนำ เพื่ออธิบายด้านควอนตัมของแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสตริงจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อเอกภพมีมิติประมาณ 10 มิติ โดยส่วนที่เกินมาจะม้วนงอเป็นรูปร่างที่เล็กเกินกว่าจะตรวจจับได้ โพลชินสกี้ กับ บุสโซ คำนวณในปี 2000 ว่ามิติพิเศษดังกล่าวสามารถพับขึ้นได้หลายวิธี วิธีการพับแต่ละแบบจะสร้างสุญญากาศที่แตกต่างออกไปโดยมีกฎทางกายภาพของมันเอง
การค้นพบว่าทฤษฎีสตริงทำให้สูญญากาศเกือบนับไม่ถ้วนถูกค้นพบอีกครั้งเมื่อเกือบสองทศวรรษที่ผ่านมา
นักจักรวาลวิทยาในต้นทศวรรษ 1980 ได้พัฒนาสมมติฐานที่เรียกว่าอัตราเงินเฟ้อของจักรวาล ซึ่งกลายเป็นทฤษฎีชั้นนำของการกำเนิดของเอกภพ ทฤษฎีนี้ถือได้ว่าเอกภพเริ่มต้นด้วยการขยายตัวแบบทวีคูณอย่างรวดเร็ว ซึ่งอธิบายความราบรื่นและความใหญ่โตของเอกภพได้อย่างคล่องแคล่ว แต่ความสำเร็จของเงินเฟ้อต้องแลกมาด้วยราคา
นักวิจัยพบว่าเมื่ออัตราเงินเฟ้อในจักรวาลเริ่มต้นขึ้นก็จะดำเนินต่อไป สูญญากาศส่วนใหญ่จะระเบิดออกอย่างรุนแรงตลอดไป เฉพาะพื้นที่จำกัดของอวกาศเท่านั้นที่จะหยุดพองตัว กลายเป็นฟองอากาศของความมั่นคงสัมพัทธ์ที่แยกออกจากกันโดยการพองช่องว่างระหว่างนั้น นักจักรวาลวิทยาด้านเงินเฟ้อเชื่อว่าเราเรียกฟองเหล่านี้ว่าบ้าน
จักรวาลแห่งสุญญากาศ
สำหรับบางคน แนวคิดที่ว่าพวกเราอาศัยอยู่ในโลกหลายภพ — ภูมิทัศน์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดของฟองสบู่ — คือ รบกวน. มันทำให้ธรรมชาติของสุญญากาศใด ๆ (เช่นของเรา) ดูเหมือนสุ่มและคาดเดาไม่ได้ ซึ่งจำกัดความสามารถของเราในการทำความเข้าใจจักรวาลของเรา Polchinski ใคร เสียชีวิตใน 2018, บอก นักฟิสิกส์และผู้เขียน Sabine Hossenfelder ที่ค้นพบภูมิทัศน์ของสุญญากาศของทฤษฎีสตริงในตอนแรกทำให้เขารู้สึกอนาถใจจนทำให้เขาต้องแสวงหาการบำบัด หากทฤษฎีสตริงทำนายความหลากหลายของความว่างเปล่าที่จินตนาการได้ มันทำนายอะไรไว้หรือเปล่า?
สำหรับคนอื่น ๆ เครื่องดูดฝุ่นมากมายไม่ใช่ปัญหา “อันที่จริงมันเป็นคุณธรรม” . กล่าว อังเดร ลินเด้นักจักรวาลวิทยาชื่อดังแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และหนึ่งในผู้พัฒนาอัตราเงินเฟ้อของจักรวาล นั่นเป็นเพราะว่าลิขสิทธิ์สามารถไขปริศนาอันยิ่งใหญ่ นั่นคือพลังงานที่ต่ำมากของสุญญากาศของเรา
เมื่อนักทฤษฎีประเมินความกระวนกระวายใจโดยรวมของสนามควอนตัมของจักรวาลทั้งหมด พลังงานก็มหาศาล — เพียงพอที่จะเร่งการขยายตัวของอวกาศอย่างรวดเร็ว และในระยะสั้น ๆ ให้แยกจักรวาลออกจากกัน แต่การเร่งความเร็วของอวกาศที่สังเกตได้นั้นเบามากเมื่อเปรียบเทียบ บ่งบอกว่าการกระวนกระวายใจโดยรวมส่วนใหญ่ถูกยกเลิก และสุญญากาศของเรามีค่าบวกที่ต่ำเป็นพิเศษสำหรับพลังงานของมัน
ในจักรวาลอันโดดเดี่ยว พลังงานเล็ก ๆ ของสุญญากาศหนึ่งเดียวเท่านั้นดูเหมือนปริศนาที่ลึกซึ้ง แต่ในโลกลิขสิทธิ์ มันเป็นเพียงโชคใบ้ หากฟองอากาศในอวกาศต่างกันมีพลังงานต่างกันและขยายตัวในอัตราที่ต่างกัน กาแลคซีและดาวเคราะห์จะก่อตัวขึ้นในฟองที่เฉื่อยที่สุดเท่านั้น สูญญากาศที่สงบของเรานั้นไม่ลึกลับไปกว่าวงโคจรของ Goldilocks ในโลกของเรา: เราพบว่าตัวเองอยู่ที่นี่เพราะทุกที่อื่น ๆ ส่วนใหญ่ไม่เอื้ออำนวยต่อชีวิต
รักหรือเกลียดมัน สมมติฐานลิขสิทธิ์ตามที่เข้าใจในปัจจุบันมีปัญหา แม้ว่าทฤษฎีสตริงจะเป็นเมนูสูญญากาศที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดก็ตาม ไม่มีใครพบ การพับเฉพาะของมิติพิเศษเล็กๆ น้อยๆ ที่สอดคล้องกับสุญญากาศอย่างเรา โดยแทบไม่มีพลังงานบวกเลย ทฤษฎีสตริงดูเหมือนว่าจะให้ผลสูญญากาศพลังงานลบได้ง่ายกว่ามาก
บางทีทฤษฎีสตริงอาจไม่จริง หรือข้อบกพร่องอาจอยู่ที่ความเข้าใจที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะของนักวิจัยในเรื่องนี้ นักฟิสิกส์อาจไม่ได้วิธีที่ถูกต้องในการจัดการพลังงานสุญญากาศในเชิงบวกภายในทฤษฎีสตริง “เป็นไปได้อย่างยิ่ง” . กล่าว นาธาน ซีเบิร์กนักฟิสิกส์จากสถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ “นี่เป็นประเด็นร้อน”
หรือสุญญากาศของเราอาจเป็นเพียงภาพร่างโดยเนื้อแท้ "มุมมองที่แพร่หลายคือพื้นที่ [ที่ได้รับพลังงานในเชิงบวก] ไม่เสถียร" Seiberg กล่าว “มันอาจจะสลายไปเป็นอย่างอื่น ดังนั้นนั่นอาจเป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมมันจึงยากที่จะเข้าใจฟิสิกส์ของมัน”
นักวิจัยเหล่านี้สงสัยว่าสุญญากาศของเราไม่ใช่สถานะที่ต้องการของความเป็นจริง และสักวันหนึ่งมันก็จะกระวนกระวายใจเข้าไปในหุบเขาที่ลึกกว่าและมั่นคงกว่า ในการทำเช่นนั้น สุญญากาศของเราอาจสูญเสียสนามที่สร้างอิเล็กตรอนหรือหยิบชุดอนุภาคใหม่ขึ้นมา ขนาดที่พับแน่นสามารถคลี่ออกได้ หรือสูญญากาศอาจยอมแพ้ต่อการดำรงอยู่โดยสิ้นเชิง
“นั่นเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง” ฮาร์โลว์กล่าว “ไม่มีอะไรจริง”
จุดจบของสุญญากาศ
นักฟิสิกส์ Edward Witten ค้นพบ “ฟองที่ว่างเปล่า” ในปี 1982 ในขณะที่ศึกษาสุญญากาศที่มีมิติพิเศษหนึ่งมิติขดตัวเป็นวงกลมเล็กๆ ในแต่ละจุด เขาพบว่าการกระวนกระวายใจของควอนตัมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ jiggled มิติพิเศษ บางครั้งทำให้วงกลมหดตัวลงจนถึงจุดหนึ่ง เมื่อมิติหายไปในความว่างเปล่า Witten ก็พบว่ามันเอาทุกอย่างไปด้วย ความไม่เสถียรจะทำให้เกิดฟองสบู่ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วโดยไม่มีส่วนภายใน พื้นผิวที่เหมือนกระจกสะท้อนจุดสิ้นสุดของกาลอวกาศเอง
ความไม่เสถียรของมิติเล็กๆ นี้สร้างปัญหาให้กับทฤษฎีสตริงมาอย่างยาวนาน และส่วนผสมต่างๆ ได้ถูกคิดค้นขึ้นเพื่อทำให้พวกมันแข็งขึ้น ในเดือนธันวาคม การ์เซีย การ์เซียร่วมกับเดรเปอร์และเบนจามิน ลิลลาร์ดแห่งอิลลินอยส์ คำนวณอายุการใช้งานของสุญญากาศด้วยมิติที่โค้งมนเป็นพิเศษเพียงมิติเดียว พวกเขาพิจารณาเสียงระฆังและนกหวีดที่ทรงตัวหลายแบบ แต่พบว่ากลไกส่วนใหญ่ไม่สามารถหยุดฟองอากาศได้ ข้อสรุปของพวกเขา สอดคล้องกับ Witten's: เมื่อขนาดของมิติพิเศษลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด สูญญากาศจะยุบลงทันที การคำนวณที่คล้ายคลึงกัน — หนึ่งขยายไปสู่แบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้น — สามารถแยกแยะสุญญากาศในทฤษฎีสตริงที่มีขนาดต่ำกว่าขนาดนั้นได้
ด้วยมิติที่ซ่อนอยู่ที่ใหญ่พอ อย่างไรก็ตาม สุญญากาศสามารถดำรงอยู่ได้นานหลายพันล้านปี ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีที่สร้างฟองอากาศที่ไม่มีอะไรจะเทียบได้กับจักรวาลของเรา ถ้าเป็นเช่นนั้น อริสโตเติลอาจพูดถูกมากกว่าที่เขารู้ ธรรมชาติอาจไม่ใช่แฟนตัวยงของสุญญากาศ ในระยะยาวอาจไม่ต้องการอะไรเลย
