Что такое ничего во вселенной
Что такое «ничего»? Рассказывает астрофизик Мартин Рис
Философы обсуждали природу «небытия», «ничего», «ничто», «пустоты» тысячи лет, но что может современная наука об этом рассказать? На этот вопрос ответит Мартин Рис, астроном Королевского общества и почетный профессор космологии и астрофизики Кембриджского университета. Он объясняет, что когда физики обсуждают «ничто», они имеют в виду пустое пространство (вакуум). Это может показаться вполне заурядным, но эксперименты показывают, что пустое пространство на самом деле не пустое — в нем скрывается загадочная энергия, которая может рассказать нам что-то о судьбе вселенной.
Даже про космическую пустоту нельзя сказать, что это «ничего».
Интервью с Мартином Рисом представил журнал The Conversation.
Пустое пространство — то же самое, что ничего?
Пустое пространство кажется нам ничем. По аналогии, вода может казаться «ничем» для рыбы — именно она остается, когда вы убираете все остальное, что плавает в море. Точно так же и пустое пространство оказывается довольно сложным на поверку.
Мы знаем, что Вселенная очень пустая. Средняя плотность пространства составляет примерно один атом на каждые десять кубических метров — среда гораздо более разреженная, чем любой вакуум, который мы можем получить на Земле. Но даже если убрать всю материю, пространство обладает своего рода эластичностью, которая (как было недавно подтверждено), позволяет гравитационным волнам — ряби самого пространства — распространятся по нему. Более того, мы узнали, что в самом пустом пространстве есть экзотический вид энергии.
Впервые мы узнали об этой энергии вакуума в 20 веке с появлением квантовой механики, которая объясняет поведение атомов и частиц на мельчайших масштабах. Из нее следует, что пустое пространство состоит из поля флуктуаций фоновой энергии — которая дает жизнь волнам и виртуальным частицам, то и дело появляющимся и исчезающим в никуда. Они даже могут создать крошечную силу. Но как насчет пустого пространства на больших масштабах?
Тот факт, что пустое пространство создает крупномасштабную силу, был обнаружен 20 лет назад. Астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это был сюрприз. О расширении было известно более 50 лет, но все думали, что расширение будет замедляться из-за гравитационного притяжения, которое галактики и другие структуры оказывают друг на друга. Поэтому для всех стало большим сюрпризом то, что замедление вследствие гравитации было смещено чем-то, что «расталкивало» расширение. Оказалось, что в самом пустом пространстве присутствует энергия, которая создает своего рода отталкивание, которое перевешивает притяжение гравитации на этих больших масштабах. Это явление — темная энергия — самое невероятное проявление того факта, что пустое пространство не лишено морщин и не является пустым. Более того, этот факт определяет дальнейшую судьбу нашей Вселенной.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Существует ли предел тому, что мы можем узнать? В масштабах, в триллион триллионов раз меньше атома, квантовые флуктуации пространства-времени могут родить не только виртуальные частицы, но и виртуальные черные дыры. Это в пределах, которые мы наблюдать не можем и для понимания которых хотя бы гипотетического нам нужно совместить теории гравитации с квантовой механикой — а это невероятно сложно.
Существует несколько теорий, направленных на то, чтобы понять это, среди которых самая известная — это теория струн. Но ни одна из этих теорий пока не связана с реальным миром — поэтому они все еще являются беспочвенными. Я думаю, что практически каждый признает, что пространство само по себе обладает сложной структурой на крошечных масштабах, где встречаются гравитационные и квантовые эффекты.
Мы знаем, что у нашей Вселенной есть три пространственных измерения: вы можете двигаться налево и направо, вперед и назад, вверх и вниз. Время — это как бы четвертое измерение. Однако есть сильное подозрение, что если вы увеличите крошечную точку в пространстве до тех пор, пока не пощупаете этот крошечный масштаб, вы обнаружите, что она будет плотно сжатым оригами из пяти дополнительных измерений, которых мы не видим. Как если бы вы смотрели на шланг издалека и думали, что это просто линия. Подходя ближе, вы бы увидели, что одно измерение является по сути тремя. Теория струн включает сложную математику — так же как и конкурирующие теории. Но это именно та теория, которая нам понадобится, если мы захотим понять на самом глубоком уровне самое близкое к пустоте, что можно вообразить: пустое пространство, очевидно.
В рамках нашего нынешнего понимания, как мы можем объяснить, что вся наша вселенная расширяется из ничего? Неужели она могла начаться с небольшой флуктуации энергии вакуума?
Если может ли быть так, что флуктуация в некой случайной части пустого пространства дала жизнь вселенной, почему то же самое не может произойти с другой частью пустого пространства — и дать жизнь параллельным вселенным в бесконечной мультивселенной?
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Какой конец ждет Вселенную?
Самый простой прогноз на далекое будущее — вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, становясь все более холодной и пустой. Частицы в ней могут распадаться, бесконечно растворяясь в пустоте. Мы можем оказаться в огромном объеме пространства, но оно будет даже более пустым, чем космос сейчас. Это один из сценариев. Есть и другие, которые прогнозируют «разворот» направления темной энергии, от отталкивания до притяжения, в результате которого нас ждет сжатие в плотную точку.
Есть еще идея Роджера Пенроуза о том, что вселенная продолжит расширяться, становясь все более разбавленной, но каким-то образом — когда в ней не будет ничего кроме фотонов, частиц света — объекты в ней перекалибруются и пространство станет в некотором роде генератором нового Большого Взрыва. Это будет весьма экзотическая версия старой цикличной вселенной — но, пожалуйста, не просите меня объяснять идеи Пенроуза.
Насколько вы уверены в том, что наука однажды раскроет тайну того, что такое это «ничто»? Даже если бы мы могли доказать, что Вселенная появилась из странной флуктуации в вакуумном поле, разве нам не стоило бы задать вопрос, откуда взялось это вакуумное поле?
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Но, конечно, возникает другой вопрос: насколько наука будет постижима для человеческого мозга? Может оказаться так, что математика теории струн в некотором смысле является верным описанием реальности, но мы никогда не сможем понять ее достаточно хорошо, чтобы проверить на фоне любого подлинного наблюдения. Тогда нам, возможно, придется ждать появления каких-нибудь пост-людей, чтобы получить более полное понимание.
Что такое «ничто», из которого появилась наша Вселенная?
Что мы представляем себе, когда слышим слово «ничто»? Большинство сразу подумает о неком пустом пространстве, в котором нет никаких объектов. На самом же деле с точки зрения физики «ничто» скрывает в себе массу интересных деталей. Канал PBS Space Time подготовил интересный ролик, в котором популярным языком приоткрыл завесу над загадочным «ничто».
Итак, что же это за странное явление? Пространство, в котором нет ни одной частицы (в тех местах, где они могли бы быть гипотетически) физики называют «вакуумом» или «вакуумным состоянием». Благодаря квантовой механике, ученые выяснили, что вакуум обладает некоторыми странными свойствами. Одним из основополагающих принципов квантовой механики является принцип неопределенности Гейзенберга. У него довольно сложное формальное определение, но, говоря простым языком, его можно выразить так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую.
Принцип неопределенности, как ни странно, верен не только для частиц, но и для энергии, и даже для времени. Таким образом, чем больше вам известно об энергии частицы, тем меньше информации о ее положении во времени, и наоборот. Здесь-то и происходит самое удивительное: если вам точно известно, что в определенной точке пространства частицы нет и быть не может (а таким пространством в данном случае является вакуум), то, следуя логике принципа Гейзенберга, в этой точке сосредоточено такое количество энергии, которой может быть достаточно для формирования самой частицы!
Парадокс, не правда ли? Физики называют такие частицы «виртуальными», и в основном выражают их как квантовые флуктуации. Иными словами, если создать достаточное количество «ничто», то Вселенная автоматически будет пытаться заполнить эту пустоты, буквально создавая частицы. из ничего. Более того, некоторые специалисты считают, что с высокой долей вероятности вся Вселенная — это одна большая виртуальная частица. Эта гипотеза носит название «вакуумного генезиса» и заключается в том, что Вселенная первоначально родилась из великого «ничто», которое существовало вне времени. Конечно, практическим путем доказать это ученые не могут, но пища для ума нашим потомкам уж точно обеспечена.
Существует ли «ничто» с точки зрения физики?
Если убрать все из части Вселенной, что останется? Можно подумать, что «ничего», но это не так. Можно убрать все частицы и античастицы подальше, все возможные типы излучения, всю кривизну пространства и рябь гравитационных волн — и остаться в совершенно пустом пространстве, где не с чем иметь дело. Действительно ли перед вами будет «ничего»? Или что-то все-таки будет?
Обычно такое состояние называют квантовым вакуумом. Это самое низкое энергетическое состояние пустого пространства. И удивительно, но квантовая физика учит нас, что нулевая энергия, или базовое состояние Вселенной, на самом деле не является нулевой. Напротив, это конечное, положительное значение, которое:
Не будет преувеличением сказать, что мы понимаем физику «ничего» достаточно хорошо и что у нас нет хорошего объяснения того, почему эта нулевая энергия не уменьшается и не улетучивается (да и вообще не меняется) со временем.
Но будет ли это эквивалентно «ничего»? И что более важно, так это наше понимание и восприятия природы «ничего»: иллюзия или ключ к пониманию важнейших секретов Вселенной?
Как-то странно полагать, что «наша пустота» может быть совсем не такой «пустотой» где-нибудь еще, в других местах.
Правда, такие рассуждения мало нас радуют. Эта «физика ничего» звучит как физика чего-то. Когда мы хотим понять ничто, наши представления выводят нас за пределы пространства, еще до рождения Вселенной, иначе какой в этом смысл? Как можно говорить о чем-то «за», когда у вас нет пространства? Как можно понять, что такое «до», если времени нет?
Многие физики утверждают, что невозможно ничего понять основательно, пока мы не поймем, что такое «ничто». Потому что мы не понимаем, откуда возникают фундаментальные законы, если не понимаем, какие фундаментальные законы управляют природой пустого пространства.
Таким образом, мы можем сказать, что наша Вселенная действительно взялась из небытия, из пустоты, из ничего, и ее конечное состояние может асимптотически стремиться к небытию по истечении длительного промежутка времени. Но лишь в том случае, если принять наше описание физического «ничто» за истинное ничто. Это определение «ничто» само по себе не может зависеть от нашего определения пространства, времени и «правил» Вселенной; физикам, философам и прочим не обязательно договариваться на этот счет. Просто не существует физического эксперимента, который позволит нам сказать: хех, похоже, мы, наконец-то, превратили это в ничто.
Но есть вещи, в которых мы уверены наверняка: мы существовали не всегда; мы будем существовать не всегда; мы существуем сейчас. Независимо от того, что такое «ничто», мы все являемся чем-то. И все в той или иной степени вышло из ничего, чем бы это ничто ни было. И насколько мы понимаем Вселенную, однажды она вернется в состояние бесконечной физической пустоты. Но какой будет природа этой конечной «пустоты» — на этот вопрос мы пока не ответили.
Четыре научных определения понятия «ничто»
Вселенная – огромное, разнообразное и интересное место, заполненное материей и энергией, пребывающими в различных формах; и всё это разыгрывается на сцене пространства-времени в соответствии с законами физики. Это иллюстрирует данная фотография с телескопа Хаббл, на которой видно скопление галактик IDCS J1426.5+3508. И сколько же всего нужно убрать, прежде чем мы действительно останемся ни с чем?
Наблюдая за нашим миром и нашей Вселенной, мы размышляем и рассуждаем обо всём, что находится в ней. Это различные частицы, атомы, люди, а также планеты, звёзды, галактики, и самые крупные структуры. В зависимости от того, что нас интересует, мы можем обсудить газ, пыль, излучение, чёрные дыры, или даже тёмную материю. Но всё, что мы видим, наблюдаем, или о существовании чего догадываемся, могло и не существовать там вечно. Кое-что из этого появилось из существовавшей ранее материи, иное же, вроде бы, и вовсе возникло из ничего. Неудивительно, что не все соглашаются с тем, что мы имеем в виду, научно говоря, используя слова «ничего». В зависимости от того, кого (или когда) вы спросите, вы можете получить один из следующих четырёх ответов. И вот, почему все они имеют для нас значение.
Самая одинокая галактика во Вселенной – поблизости от неё нет ни одной другой галактики на расстоянии в 100 млн световых лет. Но и это нельзя назвать истинным представлением пустого пространства.
Но имеющаяся у нас на сегодня материя появилась не из какой-то, существовавшей до неё. В какой-то момент в далёком прошлом Вселена состояла из равных частей материи и антиматерии; законы физики, известные нам, позволяют создавать их только в равных пропорциях. Однако сегодняшняя Вселенная практически вся состоит из материи, а не из антиматерии; все миллиарды миллиардов известных нам галактик состоят из материи, а не из антиматерии. Откуда взялась асимметрия? Она произошла из предыдущего состояния, бывшего симметричным; из состояния, в котором материи и антиматерии было поровну. С того времени, когда асимметрии не существовало. Некоторые считают, что это означает, будто имеющаяся у нас сегодня материя возникла из ничего – хотя с ними спорят другие люди, строго придерживающиеся других определений «ничего».
И всё же, никто не спорит о том, что научная проблема бариогенезиса, или первопричина асимметрии материи/антиматерии, является одним из наиболее обременительных загадок современной физики. Были придуманы многие идеи и механизмы появления материи (вместо антиматерии), но у нас нет свидетельств для того, чтобы объявить победителя среди них.
Стандартная Модель физики частиц описывает три из четырёх взаимодействий (все, кроме гравитации), весь набор открытых частиц, и все их взаимодействия. Благодаря сопутствующей квантовой теории поля мы также можем выяснить свойства квантового вакуума.
2) Пустое пространство. Представьте всё, что существует сегодня во Вселенной. Представьте все фундаментальные составляющие материи; каждый квант излучения; каждую чёрную дыру; каждую массу; каждую частицу и античастицу. А теперь представьте, что мы всё это убрали. Представьте, что они исчезли из Вселенной, и оставили после себя лишь пустое пространство. Что именно осталось бы после этого? Некоторые говорят, что не осталось бы ничего, и их такое определение устраивает.
Визуализация квантовой теории поля, в которой подсчёты демонстрируют виртуальные частицы квантового вакуума. Даже в пустом пространстве энергия вакуума не равна нулю.
Изображение плоского пустого пространства, без материи, энергии или кривизны. Если у этого пространства будет минимально возможная нулевая энергия, то уменьшить её уже не удастся
Скалярное поле φ в в ложном вакууме. Обратите внимание, что энергия Е выше, чем в истинном вакууме, или основном состоянии, но существует барьер, мешающий полю скатиться вниз к истинному. Во время инфляции Вселенная не находилась в состоянии истинного вакуума; возможно, что и сегодня не находится.
Если достичь этого истинного основного состояния, каким бы оно ни было, и убрать всю материю, энергию, излучение и волны пространства-времени из Вселенной, что останется? Это, вероятно, окончательная идея того, что может собой представлять «физическое ничто»: у вас всё ещё есть сцена для игры Вселенной. На ней может не быть игроков, ролей, сценария, но в великой бездне «ничто» всё ещё есть сцена. Космический вакуум будет на минимальном значении; не будет надежды извлечь из него работу, энергию или реальные частицы, но пространство-время и законы физики всё ещё будут существовать. В теории, если в такую Вселенную добавить частицу, она не будет отличаться от изолированной частицы, существующей сегодня в нашей Вселенной.
4) Всё, что останется, если убрать всю Вселенную и управляющие ею законы. И, наконец, можно представить себе, как мы убираем всё, включая пространство, время и правила, управляющие всеми частицами или квантами энергии. Это создаёт тот тип «ничего», для которого в физике нет определения. Это выходит за рамки «ничего», существующего во Вселенной, и вместо этого становится более философским, абсолютным «ничем». Но в контексте физики такому определению «ничего» смысл не придать. Нам бы пришлось предположить, что существует состояние вне пространства-времени, в котором может появиться пространство и время из этого гипотетического состояния истинного «ничто».
Возможно ли это? Как пространство-время появляются в определённом месте, если никакого пространства не существует? Как можно создать начало времени, если не существует такой концепции, как «ранее», если не существует времени? И откуда тогда возьмутся правила, управляющие частицами и их взаимодействиями? Значит ли вообще хоть что-нибудь это последнее определение «ничего», или это просто логическая конструкция, не обладающая физическим смыслом?
Флуктуации в пространстве-времени на квантовых масштабах во время инфляции растянулись на всю Вселенную, и породили несовершенства в плотности и гравитационных волнах. И хотя пространство в состоянии инфляции можно по праву во многих смыслах называть «ничем», не все с этим согласны.
В этом вопросе нет консенсуса. Из-за двусмысленностей человеческого языка можно сказать «ничто», имея в виду любое из этих определений, а пуристы с нетерпением будут ждать этого, чтобы накричать на вас за то, что вы смеете использовать слово «ничто» в контексте, менее чистом, чем их определение. Если что-то на самом деле появилось там, где раньше ничего такого не было, это можно назвать ничем, но не все с этим согласятся. Если убрать всю материю, антиматерию, излучение и даже пространственную кривизну, можно уверенно утверждать, что то, что останется, и будет ничем – но всё равно будет нечто, что останется и после такой очистки. Если убрать всю энергию, присущую самому пространству, и оставить только пространство-время и законы природы, это тоже можно назвать «ничем». Но с философской точки зрения некоторые люди всё равно останутся неудовлетворёнными. И только удалив и это оставшееся, они смогут согласиться с тем, что оставшееся можно называть «ничем».
Существование частиц и античастиц Стандартной Модели было предсказано в результате действия законов физики. Без этих законов и без сцены пространства-времени может ли появиться нечто осязаемое?
Так кто же прав? Все они, каждый по-своему. Суть не в том, чтобы спорить о том, что такое истинное «ничто», но принять и понять эти определения и их использование. Важно не путать одно с другим, и не вступать в перепалку по поводу того, почему нельзя использовать слово определённым образом. Вместо этого, когда кто-то – а особенно учёный – употребляет слово «ничто», попробуйте понять, какое именно значение он имеет в виду, и какое явление он пытается объяснить. Поскольку, несмотря на всё наше воображение, единственная истинная модель знаний о чём угодно основана на том, что мы можем проверить в нашей физической реальности. Всё остальное, неважно, насколько логично оно может звучать, будет лишь концепцией нашего разума.
Теория большого взрыва. Что было до Вселенной?
очень-очень-очень маленькой и быстро расширилась до размеров футбольного мяча.
Вселенная не расширяется «во что-то»; пространство расширяется в само себя, потому что у неё нет границ; по определению, нет ничего «снаружи» Вселенной. Но это только предположение, и мы, скорее всего, далеки от истины.
Теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла как горячая и бесконечно плотная точка. Всего несколько миллиметров шириной. По предположениям ученых, это было похоже на крошечную чёрную дыру. Примерно 13,7 миллиарда лет назад эта крошечная сингулярность начала стремительно расширяться.
И именно из этого расширения была создана вся материя, энергия, пространство и время. То, что произошло дальше, было двумя главными этапами эволюции Вселенной. Они называются эрами излучения и материи и определяются ключевыми событиями, которые помогли сформировать Вселенную. Сначала наступила эра радиации, названная так из-за доминирования радиации сразу после Большого Взрыва.
Затем наступила эпоха Великого объединения, названная в честь трех оставшихся объединенных сил Вселенной. С начала этой эпохи происходит ослабление квантовых эффектов, и начинают действовать законы теории относительности. В конце эпохи Великого объединения происходит отделение сильных ядерных сил от остальных сверх сил, и в создающихся условиях она приводит к новому этапу – Инфляционному расширению Вселенной.
В это время Вселенная начала стремительно расширяться. Почти мгновенно она выросла от размера атома до размера грейпфрута. В это время её температура была обжигающе горячей и бурлила электронами, кварками и другими частицами.
Затем наступила электрослабая эпоха, когда последние две силы, электромагнитная и слабые ядерные силы, наконец разделились. На следующем этапе, в кварковую эпоху, присутствовали все компоненты Вселенной, однако Вселенная все еще была слишком горячей и плотной для образования субатомных частиц.
Как и следует из названия, эра материи определяется присутствием и преобладанием материи во Вселенной. Она включает в себя три эпохи, которые охватывают миллиарды лет. Первой была атомная эпоха.
Но давайте вернемся в ту часть, о которой мы ничего не сказали? Что произошло в самом начале, до Большого Взрыва?
Главным признаком того, что нам еще предстоит дорабатывать математическую модель, является наличие сингулярности, или точки бесконечной плотности, в момент Большого Взрыва. Это говорит нам о том, что нам нужна новая физика для решения этой проблемы — наш нынешний инструментарий просто недостаточно хорош.
Поэтому, чтобы понять, что там произошло, нам нужна теория, объединяющая относительность Эйнштейна и квантовую механику, — над этим прямо сейчас работают множество учёных.
Но много вопросов остаётся без ответа. Были ли другие вселенные до нашей? Или наша Вселенная первая и единственная? Что привело к Большому взрыву, или он произошёл сам по себе, согласно законам, которые мы ещё не понимаем? Мы не знаем и, возможно, никогда не узнаем. Но мы знаем, что Вселенная началась именно там и родила частицы, галактики, звёзды, Землю и вас. Мы сами сделаны из мёртвых звёзд; мы не отделены от Вселенной — мы часть её. Можно даже сказать, что мы — способ Вселенной изучать себя. Так давайте же изучать, пока вопросов совсем не останется.