Binlerce yıl önce Aristoteles doğanın boşluktan nefret ettiğini ileri sürmüştü. muhakeme Nesnelerin gerçekten boş uzayda imkansız hızlarda uçacağı. 1277'de Fransız piskopos Etienne Tempier, Tanrı'nın her şeyi yapabileceğini, hatta boşluk yaratabileceğini ilan ederek karşılık verdi.
Daha sonra sıradan bir bilim adamı bunu başardı. Otto von Guericke, içi boş bir bakır kürenin içindeki havayı emen bir pompa icat ederek belki de Dünya'daki ilk yüksek kaliteli vakumu oluşturdu. 1654'teki bir tiyatro gösterisinde, greyfurt büyüklüğündeki topu parçalamaya çalışan iki takım atın bile hiçbir şeyin emme kuvvetinin üstesinden gelemeyeceğini gösterdi.
O zamandan bu yana boşluk, fizikte temel bir kavram, herhangi bir şeyin teorisinin temeli haline geldi. Von Guericke'nin boşluğu havanın yokluğuydu. Elektromanyetik boşluk, ışığı yavaşlatabilecek bir ortamın bulunmamasıdır. Ve yerçekimsel boşluk, uzayı bükebilecek herhangi bir madde veya enerjiden yoksundur. Her durumda, hiçliğin spesifik çeşitliliği, fizikçilerin ne tür bir şeyi tanımlamayı amaçladıklarına bağlıdır. "Bazen bu, bir teoriyi tanımlama şeklimizdir" dedi Patrick Draper'ınIllinois Üniversitesi'nde teorik fizikçi.
Modern fizikçiler nihai doğa teorisi için daha sofistike adaylarla boğuştukça, giderek artan sayıda hiçlik türüyle karşılaştılar. Her birinin sanki bir maddenin farklı bir fazıymış gibi kendine has davranışları vardır. Giderek artan bir şekilde, evrenin kökenini ve kaderini anlamanın anahtarının, bu çoğalan yokluk çeşitlerinin dikkatli bir şekilde açıklanması olabileceği görülüyor.
"Hiçbir şey hakkında düşündüğümüzden çok daha fazla öğrenilecek şey olduğunu öğreniyoruz" dedi isabel garcia garciaKaliforniya'daki Kavli Teorik Fizik Enstitüsü'nde parçacık fiziği uzmanı. "Daha ne kadar eksiğimiz var?"
Şu ana kadar bu tür çalışmalar dramatik bir sonuca varmıştır: Evrenimiz, uzak gelecekte başka bir tür hiçliğe dönüşerek süreç içindeki her şeyi yok etmeye mahkûm olan, kalitesiz bir yapıya sahip bir platform üzerinde, "yarı kararlı" bir boşluk üzerinde oturuyor olabilir. .
Kuantum Hiçlik
20. yüzyılda fizikçiler gerçekliği bir alanlar topluluğu olarak görmeye başladıkça, hiçbir şey bir şeye benzemeye başladı: her noktada uzayı bir değerle dolduran nesneler (örneğin elektrik alanı, bir elektronun ne kadar kuvvet hissedeceğini söyler) farklı yerlerde). Klasik fizikte bir alanın değeri her yerde sıfır olabilir, dolayısıyla hiçbir etkisi olmaz ve enerji içermez. "Klasik olarak boşluk sıkıcıdır" dedi Daniel HarlowMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde teorik fizikçi. "Hiçbir şey olmuyor."
Ancak fizikçiler evrenin alanlarının klasik değil kuantum olduğunu, bunun da doğası gereği belirsiz olduğu anlamına geldiğini öğrendiler. Tam olarak sıfır enerjiye sahip bir kuantum alanını asla yakalayamazsınız. Harlow, kuantum alanını, açıları alanın değerlerini temsil eden bir dizi sarkaçla (uzayın her noktasında bir tane) benzetiyor. Her bir sarkaç neredeyse düz bir şekilde aşağıya doğru sarkıyor ancak ileri geri sallanıyor.
Tek başına bırakıldığında bir kuantum alanı, "gerçek vakum" veya "temel durum" olarak bilinen minimum enerji konfigürasyonunda kalacaktır. (Temel parçacıklar bu alanlardaki dalgalardır.) Garcia Garcia, "Bir sistemin boşluğundan bahsettiğimizde, bir şekilde sistemin tercih edilen durumunu aklımıza getiriyoruz" dedi.
Evrenimizi dolduran kuantum alanlarının çoğunun, sonsuza kadar kalacakları tek ve tek bir tercihli durumu vardır. Çoğu, ama hepsi değil.
Doğru ve Yanlış Boşluklar
1970'lerde fizikçiler, değerleri ortalamada bile sıfır olmayı tercih etmeyen farklı bir kuantum alanları sınıfının önemini takdir etmeye başladılar. Böyle bir "skaler alan", örneğin 10 derecelik bir açıyla havada asılı duran sarkaçlardan oluşan bir koleksiyona benzer. Bu konfigürasyon temel durum olabilir: Sarkaçlar bu açıyı tercih eder ve stabildir.
2012 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki deneyciler, Higgs alanı olarak bilinen skaler bir alanın evrene nüfuz ettiğini kanıtladılar. Başlangıçta evrenin sıcak ve ilk dönemlerinde sarkaçları aşağıya doğru bakıyordu. Ancak evren soğudukça Higgs alanı, suyun donarak buza dönüşebileceği kadar durum değiştirdi ve sarkaçları aynı açıya yükseldi. (Bu sıfırdan farklı Higgs değeri, birçok temel parçacığa kütle olarak bilinen özelliği veren şeydir.)
Etrafta skaler alanlar varken, boşluğun kararlılığı mutlaka mutlak değildir. Bir alanın sarkaçları birden fazla yarı-kararlı açıya ve bir konfigürasyondan diğerine geçiş eğilimine sahip olabilir. Teorisyenler, örneğin Higgs alanının mutlak favori konfigürasyonunu, yani gerçek boşluğu bulup bulmadığından emin değiller. Bazıları var savundu Alanın mevcut durumunun, 13.8 milyar yıldır varlığını sürdürmesine rağmen yalnızca geçici olarak kararlı veya "yarı kararlı" olduğu belirtiliyor.
Eğer öyleyse, iyi zamanlar sonsuza kadar sürmeyecek. 1980'lerde fizikçiler Sidney Coleman ve Frank De Luccia nasıl olduğunu anlattılar. sahte bir boşluk Bir skaler alanın "bozunması" mümkündür. Herhangi bir anda, eğer bir yerde yeterli sayıda sarkaç daha uygun bir açıya doğru titreşirse, komşularını kendilerine doğru sürükleyecekler ve gerçek bir boşluk balonu neredeyse ışık hızıyla dışarıya doğru uçacak. Yoluna çıkan atomları ve molekülleri parçalayarak fiziği yeniden yazacak. (Panik yapmayın. Vakumumuz yalnızca yarı kararlı olsa bile, şu ana kadarki dayanma gücü göz önüne alındığında, muhtemelen milyarlarca yıl daha varlığını sürdürecektir.)
Higgs alanının potansiyel değişkenliğinde fizikçiler, hiçliğin hepimizi öldürebileceği neredeyse sonsuz sayıdaki yollardan ilkini belirlediler.
Daha Fazla Sorun, Daha Fazla Boşluk
Fizikçiler doğanın onaylanmış yasalarını daha geniş bir kümeye sığdırmaya çalıştıkça (süreçteki anlayışımızdaki dev boşlukları doldurarak), ek alanlar ve diğer bileşenlerle doğaya dair aday teoriler hazırladılar.
Alanlar biriktiğinde etkileşime giriyor, birbirlerinin sarkaçlarını etkiliyor ve sıkışıp kalmayı sevdikleri yeni ortak konfigürasyonlar oluşturuyorlar. Fizikçiler bu boşlukları yuvarlanan bir “enerji manzarası”ndaki vadiler olarak görselleştiriyorlar. Farklı sarkaç açıları, farklı enerji miktarlarına veya enerji ortamındaki yüksekliklere karşılık gelir ve tıpkı bir taşın yokuş aşağı yuvarlanması gibi, alan da enerjisini düşürmeye çalışır. En derin vadi temel durumdur, ancak taş daha yüksek bir vadide bir süreliğine de olsa durabilir.
Birkaç on yıl önce manzara büyük bir patlama yaşadı. Fizikçiler Joseph Polchinski ve Raphael Bousso sicim teorisinin belirli yönlerini araştırıyorlardı. önde gelen matematiksel çerçeve Yer çekiminin kuantum yönünü tanımladığı için. Sicim teorisi yalnızca evrenin 10 kadar boyutu varsa işe yarar; ekstra boyutlar ise tespit edilemeyecek kadar küçük şekiller halinde kıvrılır. Polchinski ve Bousso 2000 yılında hesaplandı bu tür ekstra boyutların çok çeşitli şekillerde katlanabileceği. Her katlanma şekli, kendi fiziksel yasalarıyla ayrı bir boşluk oluşturacaktır.
Sicim teorisinin neredeyse sayısız boşluğa izin verdiğinin keşfi, neredeyse yirmi yıl öncesindeki başka bir keşifle örtüşüyor.
1980'lerin başında kozmologlar, kozmik enflasyon olarak bilinen ve evrenin doğuşuyla ilgili önde gelen teori haline gelen bir hipotez geliştirdiler. Teori, evrenin hızlı bir üstel genişleme patlamasıyla başladığını ve bunun da evrenin pürüzsüzlüğünü ve büyüklüğünü kolayca açıkladığını öne sürüyor. Ancak enflasyonun başarılarının bir bedeli var.
Araştırmacılar kozmik enflasyonun bir kez başladığında devam edeceğini buldu. Boşluğun büyük bir kısmı sonsuza dek şiddetli bir şekilde dışarıya doğru patlayacaktı. Uzayın yalnızca sınırlı bölgeleri şişmeyi durduracak ve aradaki uzayın şişmesiyle birbirinden ayrılan, göreceli stabiliteye sahip kabarcıklar haline gelecektir. Enflasyonist kozmologlar bu baloncuklardan birini evimiz olarak adlandırdığımıza inanıyor.
Çoklu Boşluklar Evreni
Bazıları için çoklu evrende (vakum kabarcıklarından oluşan sonsuz bir manzara) yaşadığımız fikri rahatsız edici. Herhangi bir boşluğun (bizimki gibi) doğasının rastgele ve öngörülemez görünmesine neden olarak evrenimizi anlama yeteneğimizi kısıtlıyor. Polçinski kim 2018 öldü, söyledi fizikçi ve yazar Sabine Hossenfelder, sicim teorisinin boşluklar manzarasını keşfetmenin başlangıçta kendisini o kadar mutsuz ettiğini ve terapi aramaya yönelttiğini söyledi. Eğer sicim teorisi akla gelebilecek her türlü hiçliği öngörüyorsa, acaba herhangi bir şeyi öngörmüş müdür?
Diğerleri için boşlukların çokluğu sorun değil; "Aslında bu bir erdem" dedi Andrei lindeStanford Üniversitesi'nde önde gelen bir kozmolog ve kozmik enflasyonun geliştiricilerinden biri. Bunun nedeni, çoklu evrenin potansiyel olarak büyük bir gizemi çözmesidir: bizim özel boşluğumuzun ultra düşük enerjisi.
Teorisyenler evrenin tüm kuantum alanlarındaki kolektif dalgalanmayı safça tahmin ettiklerinde, enerji çok büyüktür; uzayın genişlemesini hızla hızlandırmaya ve kısa sürede kozmosu parçalamaya yetecektir. Ancak uzayda gözlemlenen ivme, kıyaslandığında son derece hafif kalıyor; bu, kolektif titreşimin çoğunun ortadan kalktığını ve boşluğumuzun enerjisi açısından olağanüstü derecede düşük bir pozitif değere sahip olduğunu gösteriyor.
Yalnız bir evrende, tek boşluğun minik enerjisi derin bir bulmaca gibi görünür. Ama çoklu evrende bu sadece aptalca bir şanstır. Uzaydaki farklı kabarcıklar farklı enerjilere sahipse ve farklı oranlarda genişlerse, galaksiler ve gezegenler yalnızca en uyuşuk kabarcıklarda oluşacaktır. O halde sakin boşluğumuz, gezegenimizin Goldilocks yörüngesinden daha gizemli değil: Kendimizi burada buluyoruz çünkü diğer yerlerin çoğu hayata uygun değil.
Sevin ya da nefret edin, şu anda anlaşıldığı şekliyle çoklu evren hipotezinin bir sorunu var. Sicim teorisinin görünüşte sonsuz sayıdaki boşluk menüsüne rağmen, şu ana kadar kimse bulamadı Bizimki gibi bir boşluğa karşılık gelen, zar zor pozitif enerjiye sahip, küçük ekstra boyutların belirli bir kıvrımı. Sicim teorisi, negatif enerji boşluklarını çok daha kolay bir şekilde ortaya çıkarıyor gibi görünüyor.
Belki de sicim teorisi doğru değildir ya da kusur, araştırmacıların teoriyi yeterince olgunlaşmamış olmasından kaynaklanıyor olabilir. Fizikçiler sicim teorisi kapsamında pozitif boşluk enerjisini ele almanın doğru yolunu bulamamış olabilirler. "Bu kesinlikle mümkün" dedi Nathan SeibergPrinceton, New Jersey'deki İleri Araştırma Enstitüsü'nde fizikçi. "Bu çok sıcak bir konu."
Veya boşluğumuz doğası gereği yarım yamalak olabilir. Seiberg, "Hakim görüş, [pozitif olarak enerjilendirilmiş] alanın istikrarlı olmadığı yönündedir" dedi. "Başka bir şeye bozunabilir, dolayısıyla onun fiziğini anlamanın bu kadar zor olmasının sebeplerinden biri de bu olabilir."
Bu araştırmacılar, boşluğumuzun gerçekliğin tercih ettiği durumlardan biri olmadığından ve bir gün daha derin, daha istikrarlı bir vadiye doğru sarsılacağından şüpheleniyorlar. Bunu yaparken, vakumumuz elektron üreten alanı kaybedebilir veya yeni bir parçacık paleti alabilir. Sıkıca katlanmış boyutlar ortaya çıkabilir. Veya boşluk varoluştan tamamen vazgeçebilir.
Harlow, "Bu da seçeneklerden biri" dedi. "Gerçekten hiçbir şey."
Boşluğun Sonu
Fizikçi Edward Witten ilk olarak “hiçbir şey baloncuğu1982'de. Her noktasında küçük bir daire şeklinde kıvrılmış ekstra bir boyuta sahip bir vakumu incelerken, kuantum titreşimlerinin kaçınılmaz olarak ekstra boyutu salladığını, bazen de daireyi bir noktaya kadar daralttığını buldu. Witten, boyutun hiçliğe doğru kaybolurken, diğer her şeyi de beraberinde götürdüğünü buldu. Kararsızlık, hızla genişleyen, içi olmayan bir balonun oluşmasına neden olacak ve aynaya benzeyen yüzeyi uzay-zamanın sonunu işaret edecek.
Küçük boyutların bu kararsızlığı, sicim teorisini uzun süredir rahatsız ediyor ve bunları güçlendirmek için çeşitli bileşenler tasarlandı. Aralık ayında, Garcia Garcia, Illinois'den Draper ve Benjamin Lillard ile birlikte, tek bir ekstra kıvrılmış boyuta sahip bir vakumun ömrünü hesapladı. Çeşitli dengeleyici ziller ve ıslıklar düşündüler, ancak çoğu mekanizmanın kabarcıkları durdurmada başarısız olduğunu buldular. Onların sonuçları Witten'inkiyle aynı hizadaydı: Ekstra boyutun boyutu belirli bir eşiğin altına düştüğünde boşluk anında çöktü. Daha karmaşık modellere genişletilen benzer bir hesaplama, sicim teorisindeki boyutların bu boyutun altındaki boşlukları hariç tutabilir.
Yeterince büyük bir gizli boyuta sahip olan boşluk, milyarlarca yıl boyunca hayatta kalabilir. Bu, hiçliğin baloncuklarını üreten teorilerin evrenimizle makul bir şekilde eşleşebileceği anlamına gelir. Eğer öyleyse, Aristoteles sandığından daha haklı olabilir. Doğa, boşluğun büyük bir hayranı olmayabilir. Son derece uzun vadede hiçbir şeyi tercih etmeyebilir.
