Не толкова отдавна в медиите се появи новина с изключително паническо заглавие: твърди се, че физиците са открили, че бозонът на Хигс ще причини смъртта на Вселената! Подробно описание какво всъщност е имало предвид можете да намерите в нашите новини Слуховете за смъртта на Вселената са силно преувеличени. Полезно е да завършите това описание със задача, която - с малко намеци - ще бъде по силите на добър ученик. Ще говори за нищо по-малко от квантовия разпад на вакуума.
В квантовия свят има такъв феномен като тунелиране. Това е името на движението на квантова частица, което би било невъзможно в рамките на класическата механика. Например, да предположим, че имаме двойна потенциална ямка, в която единият минимум е малко по-дълбок от другия (фиг. 2). Класическата механика казва, че ако частица се постави на дъното на по-плитка дупка, тя ще остане там завинаги. Квантовата механика прогнозира, че частица няма да бъде там завинаги: след известно време тя вече може да бъде намерена в по-дълбок минимум. Тя тунелира въпреки факта, че енергията й не беше достатъчна, за да премине спокойно над потенциалната бариера, разделяща двата минимума.
Най-простата версия на тази ситуация е полето на Хигс з(r) с такава плътност на потенциалната енергия (нарича се още "потенциална"):
Тук rе триизмерна пространствена координата, v- някаква стойност на размерността на енергията (за реално поле на Хигс тя е приблизително равна на 246 GeV). Минималната енергия ще бъде, когато в цялото пространство полето з(r) ще бъде равно на константа: vили - v... Всяко поле, променящо се в пространството, непременно ще доведе до по-голяма енергия като цяло. Височината на потенциалната бариера, разделяща двата минимума, е
В тази форма и двете стойности на вакуумното средно поле са равни, тъй като потенциалът е симетричен. Но се оказва, че в не-минимални версии на механизма на Хигс ситуация, подобна на фиг. 2. При тях потенциалът е леко изкривен "в полза" на един от минимумите (фиг. 3). В този случай формата и височината на потенциалната бариера практически не се променят (така че можете да използвате формулата за δ ), но между двата минимума има разлика в енергийната плътност ε ... Фактът, че изкривяването е малко, означава това δ /ε ≫ 1.
Сега за най-важния момент. Двата "вакуума" вече са различни. Този, който е по-дълбок - истинският вакуум - отговаря на минималната плътност на енергията и е вечен. По-високият, фалшивият вакуум, не е напълно стабилен. За момента той може да изглежда като нормален вакуум и в него да летят частици, да се осъществяват взаимодействия и да се образуват звезди и планети. Но винаги има възможност този вакуум да се „счупи”, да тунелира в по-стабилен истински вакуум.
Този квантов разпад на вакуума изглежда така. В някакъв момент във Вселената, която е в състояние на „фалшив вакуум“, се появява балон от истински вакуум (фиг. 1). „Изглежда“ е условно изявление; това означава, че в тази област на пространството полето на Хигс е тунелирало в истинския вакуум. Преходът между областта на истинския и фалшивия вакуум не може да бъде прекъснат, теорията не допуска такава възможност. Следователно има тънка междинна зона (стена на мехурчетата), в която полето на Хигс плавно преминава от един вакуум в друг, преодолявайки потенциална бариера по пътя.
Ако този балон е енергийно благоприятен, тогава той ще започне да се разширява, отначало бавно, но след това ще се ускори до скоростта на светлината. При такъв преход свойствата на частиците ще се променят драстично и във Вселената ще се освободи много допълнителна енергия, която преди това е била съхранявана във фалшив вакуум. С други думи, последствията от подобно разпадане на вакуума ще бъдат катастрофални за всякакви структури, обитаващи „старата“ Вселена. Този процес в много отношения напомня кипенето на прегрята течност, но, разбира се, мащабът не е същият.
Задача
Обяснение на единиците и размерите.В квантовата механика често се използват така наречените естествени мерни единици, в които всичко се изразява чрез енергия и константа на Планк ( ħ ) и скоростта на светлината ( ° С) са включени в дефиницията на единицата. В резултат дължината се изразява не в метри, а в реципрочни енергийни единици, например J –1 или eV –1. Преходният фактор е комбинацията ħc: например 1 GeV –1 съответства на дължина = 1 GeV –1 · ħc= 0,197 fm. Поради тази причина плътността на енергията, чийто реален размер е J · m –3, се изразява тук в единици енергия на четвърта степен. Съответно коефициентът на повърхностно напрежение с размерност J · m –2 ще бъде изразен в естествени единици чрез енергията в куб.
Съвет 1
Разбира се, честното, цялостно решение е сериозно научно предизвикателство. Въпреки това, много груба оценка на живота може да се даде от сравнително прости разсъждения, които се основават на анализ на размерите. Да кажем веднага, че времето за разпадане ще бъде експоненциално дълго, T ~ д Б, и се изисква да се прецени как количеството Бзависи от отношението δ /ε .
Съвет 2
Помислете за неподвижен балон с "истински вакуум" с радиус Рвъв Вселената в състояние на "фалшив вакуум". Нека оценим общата енергия на този балон спрямо фалшивия вакуум. Мехурът е изпълнен с истински вакуум, който дава отрицателна енергия на балона. Мехурът обаче има тънки стени, в които полето на Хигс плавно преминава от истински вакуум към фалшив. Тези стени имат положителна енергия, по аналогия с повърхностното напрежение на границата на течността. Въз основа на съображения за размери, оценете повърхностното напрежение на стената в този проблем. След това намерете критичния размер на балона, който трябва да се появи някъде във Вселената, за да започне да се разпада вакуумът от него. В последната стъпка се опитайте да разберете как вероятността такъв балон да се появи във Вселената зависи от неговия размер. След това заменете намерения размер и получете отговора.
Решение
Етап 1.Общата енергия на тънкостенен балон с радиус Ре равно на
Критичният размер на балона, от който ще започне разпадането на вакуума в цялата Вселена, се изчислява по същия начин, както критичният размер на парния мехур за началото на кипене на прегрята течност. Необходимо е само общата енергия на този балон да бъде отрицателна. Следователно откриваме, че критичният радиус на балона е
Повърхностно напрежение σ може да се оцени по измерение, но има една тънкост. По принцип оценките, базирани на измерения, работят, когато в проблема няма безразмерен параметър. Има такъв параметър: δ /ε ... Следователно, само въз основа на съображения за измерения, не може да се каже дали ще има σ поръчка δ 3/4, или поръчай ε 3/4, или някаква комбинация от подходящ размер.
Но тук на помощ идва допълнителен физически аргумент. Величината ε тази формула не трябва да се включва, поне докато остава малка. Наистина, тук възниква повърхностно напрежение, защото полето на Хигс се „търкаля над планината“. Наличието на малка "разлика във височината" не играе съществена роля тук; приблизително същото повърхностно напрежение ще бъде на нула ε ... Следователно от това можем да заключим, че σ ~ δ 3/4 ~ v 3 (не обръщаме внимание на възможния числов коефициент, интересуваме се само от връзката между стойностите). Следователно откриваме, че критичният размер на балона е по порядък равен на
Стъпка 2.Сега трябва да изчислим вероятността за такъв балон във Вселената. Нека си представим, че цялото пространство е "разделено" на малки обеми по размер r = 1/v(в естествени единици!). Този размер не е избран случайно: според отношението на неопределеността, квантовите флуктуации с енергии от порядъка на v... Това означава, че плътността на потенциалната енергия на полето на Хигс варира до стойности от порядъка на v 4 = δ ... С други думи, в такъв обем полето на Хигс лесно скача напред-назад и може по-специално да премине над потенциална планина.
Нека означим с стрвероятността в този малък обем за времето τ v = 1/vще има скок от фалшив вакуум към истински. Ясно е, че тази вероятност е голяма. Точната стойност абсолютно не е важна за нас, може да бъде 99%, 50% и 1%, това няма да повлияе на оценките. Но за нас ще бъде удобно да запишем тази вероятност в експоненциална форма: стр = д – qкъдето номерът qот порядъка на единството.
За да се появи балон с истински вакуум, трябва този скок да се случи синхронно (тоест във времето τ v) наведнъж в целия балон с размер R c... Този балон съдържа
малки обеми и всеки от тях скача независимо с вероятност стр... Това означава, че вероятността всички те да скочат наведнъж е равна на
и численият коефициент q, което е от порядъка на единство, тук сме пренебрегнали. Замествайки стойностите, намерени по-горе, получаваме вероятността за раждане на балон на дадено място в пространството през времето τ v:
Стъпка 3.Сега ще вземем предвид размера на видимата част от Вселената, чийто радиус означаваме с R U... Критичен балон може да се роди навсякъде във Вселената, който съдържа ( R U/R c) 3 такива мехурчета. Ако изчакате известно време T, тогава Вселената ще има T/τ vопити за създаване на такъв балон. Ето защо, ако чакате много дълго време и погледнете цялата Вселена като цяло, тогава рано или късно това ще се случи някъде. Типичните времена за изчакване ще бъдат от порядъка на
Вижда се, че за δ /ε ≫ 1 този път може да бъде много дълъг.
По принцип това вече е желаният отговор. Но тук е полезно да се каже и следното. По-точен анализ показва, че стойността Бсъщо така съдържа доста голям числов коефициент:
Така че дори ако отношението δ /ε не е толкова голям, например равен на две, тогава степента Бще продължи да бъде голям, така че животът на метастабилния вакуум ще се окаже огромен, много по-дълъг от сегашната възраст на Вселената.
Послеслов
Този тип оценка - не както се прилага към бозона на Хигс, а в по-широк контекст - е дадена за първи път от съветските физици Кобзарев, Окун и Волошин през 1974 г. Три години по-късно проблемът беше решен от Коулман по много по-строг начин. Последва поредица от работи с още по-точен анализ на разпадането на метастабилен вакуум, в който между другото гравитационните ефекти се оказват много важни. Този процес, както и самата възможност за използване на метастабилен вакуум, след това станаха твърдо установени в космологията като възможен сценарий за еволюцията на Вселената в нейните най-ранни етапи.
Интересното е, че наскоро в тази история се появи друг зигзаг. Преди година и половина бяха изразени подозрения, че метастабилни вакууми изобщо не могат да съществуват в нашето пространство-време, тъй като те изобщо не се разпадат бавно, както се смяташе досега, а напротив - безкрайно бързо... Тогава обаче беше повдигнато контра-възражение срещу това подозрение: заключението за безкрайно бързо разпадане се основава на неоправдано екстраполиране на формули отвъд границите на приложимост на познатите ни закони на физиката. Така алармата се оказа фалшива и метастабилните вакуумни състояния, поне на теория, са допустими.
Връщайки се към дискусията дали вакуумът на Хигс на Стандартния модел е стабилен или не, подчертаваме, че там ситуацията е малко по-различна (потенциалът изглежда различен, а числата са много различни). Но общият „морал“ остава същият: ако бариерата е висока, тогава ще отнеме много време да се изчака разпадането, ако бариерата е малка, тогава разпадането ще бъде доста бързо. За щастие това не ни заплашва.
Най-невероятният край на света би бил унищожаването на света в резултат на разпадането на фалшивия вакуум. В този случай не само хората, планетата, Слънцето и Млечният път, но и цялата наблюдавана Вселена ще престанат да съществуват. Учените, по-специално, философът Ник Бостром, автор на работата "Живеете ли в компютърна симулация?" Колко опасен е истинският вакуум за живота на Земята - в материала "Лента.ру".
Вакуумът в квантовата теория на полето съответства на състоянието на система с възможно най-ниска енергия. Всички физически процеси в такъв свят протичат с енергии, надвишаващи тази стойност, взета за нула. Междувременно е възможно Вселената или нейната видима част да е в метастабилен или фалшив вакуум. Това означава, че има още по-благоприятна енергийна позиция, в която Вселената може да еволюира – истински вакуум.
Количествено описание на прехода на система от фалшив вакуум към истински е предложено за първи път през 70-те години на миналия век от съветски физици. Почти в същото време тези въпроси привлякоха вниманието на американските учени. Към днешна дата е разработен математически апарат, който позволява да се оцени вероятността за тунелиране на системата от първоначално, метастабилно състояние към второ, по-стабилно състояние. Той до голяма степен се основава на статистическата физика и квантовата теория на полето, които формират основата на така наречения космологичен формализъм на балон.
Този подход предполага, че наблюдаваният свят съществува във фалшив вакуум. Това състояние най-вероятно е от метастабилен характер - цялата Вселена или тази част от нея, която човек вижда, може да бъде в стабилно състояние за огромен космологичен период от време, който обаче е краен. Истински вакуумен балон може да се появи във вътрешността на фалшивия вакуумен балон. Еволюцията на Вселената в този случай се случва поради разпадането на първоначалното метастабилно състояние.
Мехурът на истинския вакуум се разширява вътре в балона на фалшивия вакуум в съответствие със специалната теория на относителността, не по-бързо от скоростта на светлината, и унищожава цялата материя на първоначалния свят. Следователно те говорят за възможната смърт на наблюдаваната Вселена. Количественият анализ на разпадането на фалшив вакуум обаче е изпълнен с несигурност.
Основното нещо, което трябва да се направи, е да се оцени вероятността от раждането на балон от нова космологична фаза. Има два основни подхода, които позволяват да се опрости възможно най-много проблема и да се получат явни изрази за вероятността на прехода - приближението на тънката и дебелата стена. Основният обект е потенциалът на Хигс (иначе - Гинзбург-Ландау) на Стандартния модел - съвременната концепция за физика на елементарните частици. Той съдържа полето на Хигс, което е отговорно за появата на инертна маса в частиците.
Образуването на балон от истински вакуум в балон на фалшив съответства на фазов преход от първи ред, когато системата претърпява рязка, а не непрекъсната, както при фазов преход от втори ред, промяна. Основното в двете приближения е височината на потенциалната бариера, разделяща фалшивия и истинския вакуум. Тънкостенното приближение работи, когато разликата между фалшивия и истинския потенциален минимум е много по-малка от височината на бариерата между тях.
Ако дебелината на стените е много по-малка от радиуса на балона, основният принос за вероятността за неговото създаване има повърхностната енергия, а не обемната енергия. Определянето на вероятността в този случай се свежда до изчисляване на степента. Приближението на дебели стени се използва много по-рядко във физически интересни теории. И е ясно защо: в този случай вероятността за образуване на мехурчета от нова фаза се оказва експоненциално потисната - фалшивият вакуум е практически неразличим от истинския.
Вероятността за тунелиране зависи от квантовите корекции на потенциала на Хигс, по-специално от приноса на тежките частици. В момента топ кварк се счита за най-тежката елементарна частица - масата му надвишава 173 GeV. Ето защо откритията на нови тежки частици са толкова важни за космологичните модели – те могат да повлияят на прогнозите за стабилността на наблюдавания свят.
Специална роля в разпадането на вакуума на гравитацията има кривината на пространство-времето. По-специално, микроскопичните черни дупки, които могат да възникнат при сблъсъци на високоенергийни частици, увеличават вероятността от раждането на мехурчета с истински вакуум в близост до тях със стотици пъти. Динамиката на космологичните мехурчета е още по-сложна, ако вътре в оригиналната Вселена се образуват няколко мехурчета – разширявайки се и сблъсквайки се един с друг, те създават нов свят с истински вакуум.
Днес не се знае в какво състояние се намира Вселената. Ако това е истински вакуум, тогава няма за какво да се притеснявате. Ако е невярно, то най-вероятно също - размерите на наблюдаваната Вселена са твърде големи, за да може нов балон, разширяващ се със скоростта на светлината, да запълни целия свят във всеки разумен момент по човешките стандарти. Има обаче изключение – ако по някакъв начин възникне нова фаза в непосредствена близост до човечеството. Тогава Земята може да умре почти мигновено.
— Можеш ли да направиш нещо от нищото, чичо? - "Не, приятелю, нищо няма да излезе от нищо."
Шекспир, "Крал Лир" (превод от T.L.Schepkina-Kupernik)
Вакуумът е празно пространство. Често се използва като синоним на думата "нищо". Ето защо идеята за вакуумната енергия изглеждаше толкова странна, когато за първи път беше предложена от Айнщайн. Въпреки това, под влиянието на постиженията на теорията на елементарните частици през последните три десетилетия, отношението на физиците към вакуума се промени коренно. Вакуумните изследвания продължават и колкото повече научаваме за него, толкова по-сложно и изненадващо изглежда.
Според съвременните теории за елементарните частици, вакуумът е физически обект; може да се зарежда с енергия и може да бъде в различни състояния. В терминологията на физиците тези състояния се наричат различни вакууми. Видовете елементарни частици, техните маси и взаимодействия се определят от основния вакуум. Връзката между частиците и вакуума е подобна на тази между звуковите вълни и материала, през който те се разпространяват. Вакуумът, в който живеем, е в най-ниско енергийно състояние, нарича се "истински вакуум". Възможно е нашият вакуум да не е най-ниската енергия. Теорията на струните, която днес е основният кандидат за ролята на най-фундаменталната физическа теория, предполага съществуването на вакууми с отрицателна енергия. Ако те наистина съществуват, тогава нашият вакуум спонтанно ще се разпадне с катастрофални последици за всички материални обекти, съдържащи се в него.
Физиците са натрупали богати знания за частиците, които обитават този тип вакуум и силите, действащи между тях. Силните ядрени сили, например, свързват протоните и неутроните в атомните ядра, електромагнитните сили задържат електроните в орбитите им около ядрата, а слабите сили са отговорни за поведението на неуловимите леки частици, наречени неутрино. В съответствие с техните имена, тези три взаимодействия имат много различни сили, като електромагнитното взаимодействие заема междинна позиция между силно и слабо.
Свойствата на елементарните частици в други вакууми могат да бъдат напълно различни. Не е известно колко различни вакууми има, но физиката на елементарните частици предполага, че вероятно трябва да има поне още две, с повече симетрия и по-малко разнообразие от частици и взаимодействия. Първият от тях е така нареченият електрослаб вакуум, при който електромагнитното и слабото взаимодействие имат еднаква сила и се появяват като компоненти на една комбинирана сила. Електроните в този вакуум имат нулева маса и са неразличими от неутрино. Те се движат със скоростта на светлината и не могат да се задържат вътре в атомите. Не е изненадващо, че не живеем в този тип вакуум.
Вторият е вакуумът на Великото обединение, в който и трите типа взаимодействия между частиците се сливат. В това силно симетрично състояние неутрино, електрони и кварки (от които са направени протони и неутрони) стават взаимозаменяеми. Ако почти сигурно съществува електрослаб вакуум, тогава вакуумът на Великото обединение е много по-спекулативна конструкция. Теориите за частиците, които предсказват съществуването му, са привлекателни от теоретична гледна точка, но включват изключително високи енергии, а техните наблюдателни доказателства са малко и предимно косвени.
Всеки кубичен сантиметър електрослаб вакуум съдържа колосална енергия и - според връзката на Айнщайн между маса и енергия - огромна маса, около десет милиона трилиона тона (приблизително масата на Луната). Изправени пред такива огромни числа, физиците преминават към съкратено записване на числата, изразявайки ги в степени на десетки. Трилион е единица, последвана от 12 нули; пише се като 10 ^ 12. Десет милиона трилиона е единица, последвана от 19 нули; тоест, плътността на масата на електрослаб вакуум е 10 ^ 19 тона на кубичен сантиметър. За вакуума на Великото обединение плътността на масата се оказва още по-висока и чудовищно повече - 10 ^ 48 пъти. Излишно е да казвам, че този вакуум никога не е бил създаван в лаборатория: би изисквал много повече енергия, отколкото е налична със сегашната технология.
В сравнение с тези зашеметяващи стойности, енергията на обикновения истински вакуум е незначителна. Дълго време се смяташе, че е точно нула, но последните наблюдения показват, че вакуумът може да има малка положителна енергия, еквивалентна на масата от три водородни атома на кубичен метър. Последиците от това откритие ще бъдат изяснени в глави 9, 12 и 14. Високоенергийните вакууми се наричат „фалшиви“, защото за разлика от истинския вакуум, те са нестабилни. След кратко време, обикновено малка част от секундата, фалшивият вакуум се разпада, превръщайки се в истински, а излишната му енергия се освобождава под формата на огнено кълбо от елементарни частици. В следващите глави ще разгледаме много по-отблизо процеса на разпадане на вакуума.
Ако вакуумът има енергия, тогава, според Айнщайн, той също трябва да има напрежение. Това заключение е лесно за разбиране от прости енергийни съображения. Силата винаги действа върху физически обект в посока на намаляване на неговата енергия. (По-точно потенциална енергия, която е компонент на енергията, която не е свързана с движение.) Например, силата на гравитацията дърпа обектите надолу, в посока на намаляване на тяхната енергия. (Гравитационната енергия се увеличава с височината над земята.) За фалшив вакуум енергията е пропорционална на обема, който заема, и може да бъде намалена само чрез свиване на обема. Следователно трябва да има сила, причиняваща компресията на вакуума. Тази сила е напрежение.
Но напрежението създава отблъскващ гравитационен ефект. В случай на вакуум, отблъскването е три пъти по-силно от гравитационното привличане, причинено от неговата маса, така че общото е много силно отблъскване. Айнщайн използва тази антигравитация на вакуума, за да балансира гравитационното привличане на обикновената материя в своя стационарен модел на света. Той откри, че балансът се постига, когато масовата плътност на материята е два пъти по-голяма от вакуума. Гут предложи друг план: вместо да балансира Вселената, той искаше да я надуе. Следователно той позволи на отблъскващата гравитация на фалшивия вакуум да доминира без съпротива.
Космическа инфлация
Алън Гът в офиса си в Масачузетския технологичен институт. Гут е гордият победител в конкурса за най-разхвърлян кабинет на Boston Globe през 1995 г.
Какво би се случило, ако в далечното минало пространството на Вселената беше в състояние на фалшив вакуум? Ако плътността на материята в тази епоха беше по-малка от необходимата за балансиране на Вселената, тогава отблъскващата гравитация щеше да доминира. Това би накарало Вселената да се разшири, дори ако първоначално не се е разширила.
За да направим идеите си по-определени, ще приемем, че Вселената е затворена. След това се надува като балон на фигура 3.1. С нарастването на обема на Вселената материята се разрежда и нейната плътност намалява. Въпреки това, масовата плътност на фалшивия вакуум е фиксирана константа; винаги остава същото. Така много бързо плътността на материята става незначителна, оставаме с хомогенно разширяващо се море от фалшив вакуум.
Разширяването се причинява от напрежението на фалшивия вакуум, което надвишава привличането, свързано с плътността на неговата маса. Тъй като нито едно от тези количества не се променя с времето, скоростта на разширение остава постоянна с висока точност. Тази скорост се характеризира с пропорцията, в която Вселената се разширява за единица време (да речем, една секунда). По смисъл тази стойност е много подобна на темпа на инфлация в икономиката - процентното увеличение на цените за годината. През 1980 г., когато Гут преподава семинар в Харвард, инфлацията в Съединените щати беше 14%. Ако тази стойност остане непроменена, цените ще се удвоят на всеки 5,3 години. По същия начин, постоянната скорост на разширяване на Вселената предполага, че има фиксиран интервал от време, през който размерът на Вселената се удвоява.
Растежът, който се характеризира с постоянно време на удвояване, се нарича експоненциален. Известно е, че много бързо води до гигантски числа. Ако днес парче пица струва $1, то след 10 цикъла на удвояване (53 години в нашия пример) цената му ще бъде $1024, а след 330 цикъла ще достигне $10 ^ 100. Това колосално число, последвано от 100 нули, има специално име - googol. Гут предложи използването на термина инфлация в космологията, за да опише експоненциалното разширяване на Вселената.
Времето за удвояване за една вселена, пълна с фалшив вакуум, е невероятно кратко. И колкото по-висока е енергията на вакуума, толкова по-къса е тя. В случай на електрослаб вакуум, Вселената ще се разшири до гугол веднъж на една и тридесет микросекунди, а при наличието на вакуум на Великото обединение, това ще се случи 10 ^ 26 пъти по-бързо. За толкова кратка част от секундата област с размерите на атом ще набъбне до размер, много по-голям от цялата наблюдавана вселена днес.
Тъй като фалшивият вакуум е нестабилен, той в крайна сметка се разпада и енергията му запалва огнено кълбо от частици. Това събитие бележи края на инфлацията и началото на нормалната космологична еволюция. Така от малък първоначален ембрион получаваме огромна гореща разширяваща се Вселена. И като допълнителен бонус, този сценарий изненадващо премахва проблемите с хоризонта и плоската геометрия, които са характерни за космологията на Големия взрив.
Същността на проблема с хоризонта е, че разстоянията между някои части от наблюдаваната Вселена са такива, че изглежда винаги са били по-големи от разстоянието, изминато от светлината след Големия взрив. Това предполага, че те никога не са взаимодействали помежду си и тогава е трудно да се обясни как са постигнали почти точно равенство на температури и плътности. В стандартната теория за Големия взрив пътят, изминат от светлината, нараства пропорционално на възрастта на Вселената, докато разстоянието между регионите се увеличава по-бавно, тъй като космическото разширяване се забавя от гравитацията. Зоните, които не могат да си взаимодействат днес, ще могат да си влияят една на друга в бъдеще, когато светлината най-накрая покрие разстоянието, което ги разделя. Но в миналото разстоянието, изминато от светлината, става дори по-кратко от необходимото, така че ако регионите не могат да взаимодействат днес, те са били още по-неспособни да го направят преди. Така коренът на проблема е свързан с привлекателния характер на гравитацията, поради което разширяването постепенно се забавя.
Въпреки това, във вселена с фалшив вакуум, гравитацията е отблъскваща и вместо да забавя разширяването, тя го ускорява. В този случай ситуацията е обратна: области, които могат да обменят светлинни сигнали, ще загубят тази възможност в бъдеще. И по-важното е, че тези области, които са недостъпни една за друга днес, трябваше да взаимодействат в миналото. Проблемът с хоризонта изчезва!
Проблемът с плоското пространство е също толкова лесен за решаване. Оказва се, че Вселената се отдалечава от критична плътност само ако нейното разширяване се забави. В случай на ускорена инфлационна експанзия е вярно обратното: Вселената се приближава до критичната плътност, което означава, че става по-плоска. Тъй като инфлацията увеличава Вселената колосален брой пъти, ние виждаме само малка част от нея. Тази видима област изглежда плоска като нашата Земя, която също изглежда плоска, когато се гледа от близо повърхността. Така че кратък период на инфлация прави Вселената голяма, гореща, хомогенна и плоска, създавайки само началните условия, необходими за стандартната космология на Големия взрив...
Предсказанията за Страшния съд представляват нова тенденция в скорошната популярна култура. Футуристи и окултисти от всички маниери се надпреварват да опишат цветния финал на човешката история. Учените са в крак със световните тенденции и смятат, че причината за смъртта на Земята ще бъде взаимодействието на две същности – фалшив и истински вакуум. Сюжетът е толкова интересен, че е привлечен от холивудски блокбъстър.
Многозначност
Преди да пристъпим към дешифрирането на понятията на квантовата механика, е необходимо да се запитаме какво се има предвид под понятието „ вакуум„В различни контексти:
- В общия случай се счита, че това е пространство, лишено от материя. В превод от латински, думата се превежда като "свобода" или "празнота";
- В инженерната и приложната физика: всяко пространство, в което налягането е под атмосферното. И така, английското име на прахосмукачката " вакуумчистач»Отнася се точно до това тълкуване;
- В контекста на естествено-научните изследвания от 19-ти век: това е среда, изпълнена с вездесъщото вещество, наречено етер;
- В електромагнетизма: референтна среда за електромагнитно излагане. Не пречи на разпространението на радиацията. В него принципът на суперпозиция на два електрически потенциала е просто добавяне на всеки потенциал.
Философските спорове относно понятията "празнота" и "нищо" продължават повече от две хиляди години. Първите опити да се стъпи на този нестабилен бъбрек са направени от Платон, но идеите му веднага са отхвърлени: нищо не може да се възприеме чрез сетивата – което означава, че съществуването му не може да бъде доказано.
Какво е истински вакуум?
Най-често в лабораторни и природни условия физиците имат работа с т. нар. частичен вакуум, който се отклонява от „стерилните“ условия до известна степен. Космосът може да служи като пример за такъв "под вакуум":
- Има изключително ниска плътност и налягане;
- Въпреки това, дори в междузвездното пространство има няколко водородни атома на кубичен метър;
- Планетите и звездите са още по-далеч от идеалните условия: те имат своите атмосфери поради гравитационното привличане;
- Всъщност пространството е разредена плазма, пълна със заредени частици и електромагнитни полета.
За разлика от този несъвършен модел, съществува концепцията за "идеален вакуум", което е така нареченото основно състояние в квантовата теория на полето:
- Това е състоянието с възможно най-ниска (нулева) енергия;
- Не може да се постигне експериментално, съществува само „на върха на писалката“;
- Въпреки средните нулеви стойности на електрическите и магнитните полета, техните дисперсии не са равни на нула;
- Понякога в такава "празнота" се появяват и изчезват виртуални частици (феноменът се нарича флуктуация).
Физически теории
В рамките на съвременната квантова физика теорията за истинския физически вакуум остава неразработена напълно. Има няколко подхода за изследване на това явление:
- Много частици с малка енергия;
- Клетъчна среда, която има отрицателно налягане;
- Квантова течност, съставена от фотонни частици. Те са свързани заедно в мозайка, която наподобява кристална химическа връзка;
- Свръхтечна квазичастична течност;
- Според английския учен Пол Дирак това е безкрайно море от частици с енергия под нулата.
Тълкуването на латинското понятие „вакуум” като „празнота”, което доминира през цялата история, днес не се използва.
Напротив, неговото онтологично значение се е променило: вместо „нищо“ (празно пространство) – „нещо“ (съдържащо потенциала на всичко съществуващо). Физиците вярват, че вакуумът може да породи всички явления на външния свят и е най-основната единица във Вселената. И следователно - не напълно познати.
Какво е фалшив вакуум?
Една от най-популярните хипотези относно природата на „смислената празнота“ принадлежи на американските физици Франк Уилчек и Майкъл Търнър. Те бяха първите, които изложиха теорията за така наречения "фалшив вакуум", който има следните свойства:
- Неговото енергийно ниво е изключително малко, но не е равно на нула, за разлика от истинския вакуум;
- Вероятно такова състояние може да възникне, когато максималният брой частици и енергия се отстранят от обикновеното пространство. Такава операция ще доведе до появата на квантови полета с локален енергиен минимум;
- Състоянието е нестабилно поради „тунелния ефект“, когато елементарните частици лесно преминават потенциалната бариера и преминават в състояния с по-ниска енергия;
- Привидният вакуум има тенденция да се превърне в истински. Математически модел на този преход е разработен още през 70-те години на миналия век от съветски учени.
Феноменът в дивата природа все още не е регистриран. Има само теоретични предположения относно природата на цялата Вселена, които ще бъдат разгледани по-долу.
Екзистенциална заплаха
Недостатъчното познаване на фундаменталните космологични въпроси отваря широки полета за буйното въображение на физиците. Една от популярните днес научни „истории на ужасите“ засяга заплахата за Вселената, ако тя е в състояние на минимална енергия:
- Учените Ерик Макс Тегмарк и Ник Бостром бяха първите, които инициираха дискусия по тази тема. През 2005 г. в списание Nature те публикуват сензационна статия, в която обявяват смъртта на всички неща след няколкостотин милиона години;
- Този сценарий е много вероятен, ако Вселената е във въображаем вакуум. Това състояние плавно ще се влее в истинския вакуум, което ще бъде придружено от несигурни, но фатални последици;
- Раждането на ново състояние може да се опише като появата на няколко нови вътре в един космологичен балон;
- Тези мехурчета ще се сблъскат един с друг, обединявайки се и раждайки нов свят;
- Ако теорията е вярна, балонът ще се разшири с чудовищна скорост и смъртта на живота на Земята ще бъде почти мигновена.
Апокалиптичен сюжет е в основата на романа „Пробуждане на Посейдон“ (2015) на британския писател Алистър Рейнолдс.
Относителността на научната картина на света може да избие земята под краката ни. В допълнение към понятието за празнота, разбираемо за всеки лаик, физиците изтъкват и „почти празнота“, която е безкрайно близка до нея, но все пак съдържа известен минимум на енергия. Така с прости думи можете да опишете фалшив и истински вакуум. По-подробното разбиране на явлението ще изисква дълбоко техническо образование.
Видео: защо фалшивият вакуум може да унищожи Вселената?
В това видео физикът Роберто Стивънс ще ви каже как Вселената може да изчезне за броени секунди:
Ако ти изведнъжследете научни и псевдонаучни новини, може да сте попаднали на друга история на ужасите от Стивън Хокинг... Той отново е там и заплашва целия свят с Армагедон. По-точно Хокинг, естествено, не каза нищо подобно, той просто рекламираше новата си книга Starmus, която ще излезе през октомври, а медиите, както обикновено, подхващат и разпространяват посланието по целия свят - каза Хокинг има два вакуума в света, фалшива и истина. Скоро всичко, което е фалшиво, ще стане истина и всичко ще свърши."
Естествено, това е пълна глупост и няма защо да се страхувате, Армагедон се отлага за неопределено време. Но какво е фалшив вакуум и защо не трябва да се страхувате от него, бих искал да ви кажа. По традиция ще го направя на пръстите си ™.
Идеята е доста стара, между другото, и Хокинг не я хрумна. В научните среди се върти от 70-те години на миналия век. И изглежда, че Хокинг е намерил друго хитро решение на този проблем напълно теоретичноконцепции. За да разберем какво е фалшив вакуум, първо трябва да разберете какво е истински, истински вакуум.
По самото значение на думата "вакуум" изглежда, че е пълна, абсолютна празнота. Но имаме празнота, така да се каже, различна степен на свежест, нека преминем през всеки.
Погледнете стаята от снимката на публикацията, обикновено ако в стаята няма хора, за нея казват, че е празна. Но освен хората, може да има куп различни предмети в една стая, столове, дивани, гардероби, килими по стените (и те трябва да са на пода!) и т.н.
Ще премахнем всички предмети от стаята и абсолютно всичко - ще развием контактите от стените, ще премахнем дъските, ще премахнем ламината и ще отворим первазите на прозореца. Стаята вече е напълно празна. Но дали това е вакуум? Тя е пълна с въздух! Между другото, един кубичен метър въздух на морското равнище тежи около килограм, а кубичен метър вода тежи точно един тон. Това означава, че стандартна стая с размери 3x5 метра съдържа малко по-малко от 40 килограма въздух, като се вземат предвид стандартните тавани на Хрушчов.
Но отстраниха и въздуха, т.е. всички молекули, цялото вещество, което беше вътре, сега имаме вакуум? Не, има още много полета! Ако стаята е светла (забравили сте да махнете крушката, балдоси!), тогава светлинни фотони летят из стаята. Ако някой е поставил Wi-Fi точка за достъп до стената, ние също изпращаме Wi-Fi техните електрически вълни към стаята. Плюс това клетъчната мрежа е уловена от най-близката кула, плюс цялата стая е наситена с радио и телевизионни честоти и все още мълча, че свръхнова избухна в мъглявината от съзвездието Херкулес и наводни цялата ни стая, но че там беше стая, цялата Земя с гама лъчение. Ще премахнем всички възможни електромагнитни лъчения от стаята, ще я екранираме напълно. Както и да е, стаята е пълна с реликтна радиация (успех да я премахнете!) И е пронизана от трилиони неутрино за всеки кубичен милиметър обем. А-а-а-а!!!
Накратко, те се напрегнаха и махнаха от стаята всичко – всичко – всичко – всичко, което беше възможно. Оградени от всичко и за защита от неутрино изградени оловни стени с дебелина 2-3 светлинни години наоколо. Едва сега започнахме да се доближаваме до концепцията за абсолютен вакуум. Това, разбира се, не се среща в природата. Но далеч, далеч от галактиките, в космическите празноти, можете да намерите нещо подобно, въпреки че все още няма спасение от реликтовата радиация. Но дори и там, тогава ще се промъкне един лутащ протон, след това неутрино, след това ще пристигнат няколко фотона от някоя най-близка галактика.
И така, премахнахме всичко, абсолютно всичко, което е възможно от стаята, станахме абсолютно чисти, прясно, мразовитовакуум с температура 0 Келвин (защото няма вещество, няма полета - няма температура) и зададе въпроса каква е енергията, съдържаща се в обема на тази стая. Логичният отговор ще бъде точно нула, а след това веднага - аха!
Факт е, че има неща, които можем да извадим от стаята (вакуум), и има неща, които не могат да бъдат премахнати от там. Принципно.
Първо, това са така наречените квантови вакуумни флуктуации. Отнема много време, за да се обясни какво е в подробности, на пръстите си ™можем да кажем, че дори в абсолютно празен вакуум на квантово ниво постоянно се извършва някакво движение. Вакуумът кипи на квантово ниво, в него се раждат и изчезват без прекъсване безброй виртуални частици, или изскачат от морето на Дирак, или се гмуркат обратно. Невъзможно е да се предпазите от вакуумни флуктуации, това е свойство на самия вакуум, те винаги са там.
Второ, така се случи, че във вакуум някой изля тъмна енергия... Това е този, който е отговорен за ускореното отблъскване на галактиките. Нямаме представа каква е енергията, навремето си мислехме, че това са вакуумни флуктуации, но после изчислихме – не, не те. И още нещо. „Тъмна енергия“ е само име. Може би изобщо не е тъмно, може би дори не е енергия. Но съществува, не може да не съществува. Следователно, той все още просто се счита за друго свойство на самия вакуум, като вакуумните флуктуации, но някак различно.
Трето, наскоро откритият Хигс бозон. Смисълът на този бозон е, че определено поле на Хигс се простира в цялата Вселена, чийто квант е този бозон. Това поле отново е навсякъде и навсякъде, не можете да се скриете от него (според съвременните научни схващания), което означава, че дори и в най-празния вакуум то винаги присъства.
Четвърто, други универсални полетаили следващия тъмни глупости, за което все още не знаем и не знаем.
Всичко това ни говори, че дори и в най-дебелия кубичен метър вакуум все още има някаква енергия (поне сумата от вече споменатите), т.е. може да се каже, макар и много образно, че един кубичен метър вакуум тежи нещо, защото ако има енергия в него, значи emseq е същият!
Защо не е нещо „абсолютно празно“, което днес се смята за абсолютен вакуум в науката, а нещо, което по принцип има? минимална възможна енергийна стойност... Ако начертаете графика на енергията, ще получите следната криволичка:
От снимката веднага се виждат и разбират няколко неща (затова го повдигнах).
Нашият вакуум е в най-ниската червена точка на графиката, енергийната стойност там е минимална, но не е равна на нула. Графиката не докосва нулевата ос, а се намира малко над нея.
И тогава всички идеи от поредицата се отхвърлят настрана – „тъй като енергията на вакуума не е равна на нула, възможно ли е да я приложим по някакъв начин, да речем, да построим някаква умна електроцентрала, работеща на вакуум?“ Ясно е, че е невъзможно. Ако поставите топката в дупката, тогава каквото и да правите с нея, тя пак ще се върне в най-ниската си точка. Тези. за да се изгради някакъв "вакуумен енергиен двигател", трябва да вземете тази енергия от вакуума и да я дадете на двигателя, но това е невъзможно, вакуумът има енергия на най-минималното си ниво.
Сега да преминем към фалшивия вакуум. Веднага щом учените познаха картината, която цитирах по-горе, веднага възникна подозрение, какво ще стане, ако не цялата картина, но само част от него? Изведнъж, ако се отдалечите на две крачки от него, тогава пред нас ще се отвори по-широка перспектива и пълната картина всъщност ще изглежда така:
Тези. това, което наричаме нашия истински вакуум, е само една от ямите (Вакуум А). Когато истинският, истинският истински вакуум лежи още по-ниско (Вакуум Б). Може би в този вакуум силата на полето на Хигс е по-ниска, или има по-малко тъмна енергия, или нещо подобно. В този случай получаваме не истински, а фалшив вакуум в нашата Вселена. Е, фалшиво и невярно. За нас няма голяма разлика, можем да живеем целия си живот в този фалшив вакуум и да не си надуваме мустаци. И дори не знам, че той всъщностневярно, но съществува някъде много по-вярно.
Но винаги има шанс тази безплатна услуга внезапно да свърши внезапно. Природата винаги се стреми към минимум енергии. Тя самата не може да скочи от фалшив вакуум в истински (от плитка дупка в по-голяма), не й дават и стените пречат.
Но какво ще стане, ако „бутнете топката по-силно“? Ами ако ударите вакуум с такава енергия, че той просто скочи и изпадне в състояние на друг вакуум, по-вярно? Между другото, този може да се окаже и фалшив, до който вече ще лежи търкайтевярно, но за нас няма значение. За нас е важно да се случи някаква глупост, а вакуумът ни да прескочи от държавата ни в съседната, „долната”.
Веднага ще ти кажа, ще бъде много лошо... И всички и всичко. Една добра научнопопулярна статия няма да бъде пълна, ако не включва малко армагедианци в края. И тогава краят на света идва за всички и тотално. Свойствата на всички останали частици и полета в него зависят от свойствата на вакуума. Всичките ни електрони и протони, от които сме направени, веднага ще променят свойствата си, ще имат различни заряди, или някакво завъртане или някаква друга глупост. И това означава, че всички атоми веднага ще се разпаднат на парчета, или ще се изпарят, или ще унищожат, звездите ще експлодират или изгаснат, или... накратко, всичко може да се случи и според закона на вероятността нещо лошо трябва да бъде . Шансът всичко да остане както преди е минимален, защото ако само леко настроите някоя от константите на съществуващата Вселена, всичко веднага се срива нафиг. Разбира се, друга Вселена се изгражда точно там на нейно място, но за нас, като живи организми, състоящи се от специфични съединения на химически молекули, тази промяна няма да бъде никаква радост.
Не мога да устоя на удоволствието да опиша как ще се случи всичко. Първо, едно парче ("частица", "атом", ако мога така да се изразя) от вакуума ще прескочи от фалшиво състояние в истинско или поне по-ниско. И тогава ще дърпа "покрай" всичките си съседи. Там изчисленията не са много прости, но мрачните гении вече са преброили, едно парче няма да го направи - ще повлече всички със себе си. Тя ще тъпче като вода през тръба от горния съд към долния, научно казано: градиентът ще бъде насочен към долния минимум. Около точката на първоначалния скок, всъщност със скоростта на светлината, топка от различно пространство, различен вакуум, ще започне да набъбва. Всичко, което се докосне до топката, тя незабавно поглъща, превръщайки се в прах и пара от елементарни частици, или става оловно тежка и окована от пълна неподвижност, или възпламенява милион градуса, или дори всички атоми, цялата материя в един миг се превръща в поток чисто-сияененергия и със скоростта на разсейването на светлината във всички посоки. Тук няма да работи да се каже предварително, че всичко може да бъде, но явно не остава същото. Тъй като границите на сферата се разпръскват почти със скоростта на светлината, е невъзможно да се види предварително и да бъде предупреден за катастрофата. Информация, че смъртоносна топка се втурва към вас друг вакуумсе разпространява с почти същата скорост като самия балон. Просто си живееш живота, хрускаш френска кифла, сяраш в камъни или бягаш от дивите пчели на Мозамбик и после - бам! Всичко наоколо е изчезнало, включително и ти. Няма да боли, няма да е страшно, просто след миг нашият свят ще свърши и това е всичко. И вълната ще продължи, ще погълне Касиопея, мъглявината Андромеда, триъгълния свръхкуп... Това ще бъде много скучен край на света и никой няма да може да го предвиди, предупреди или дори да почувства. Помислете, че светлините във Вселената просто са изключени.
Как може да започне такъв брониран човек? Има две възможности. Или нещо ще избута "вакуумната топка" толкова високо, че ще прескочи бариерата, която разделя различните състояния на вакуума. Тук всички изчисления са чисто хипотетични, разбира се. Вон Хокинг роди, роди и роди, че за такъв трик уж е необходима енергия от порядъка на 100 милиарда GeV или 100 милиона TeV. Как го е направил - никой не знае. Най-вероятно Хокинг си играеше със световните константи, раздели нещо някъде, умножи го, пусна корен и даде отговор. Е, все едно с такава енергия трябва да се роди някакъв хитър Хигс бозон, който от обичайното поле на Хигс ще направи друго поле на Хигс, с различни характеристики. А това означава различна плътност на вакуумната енергия и тогава всичко следва сценария, който описах по-горе.
Никой не знае дали Хокинг шофира или не. Той преброи нещо там и ни даде резултата. Всички медии веднага разтръбиха – „Хокинг предрече края на света, насрочен е за следващия петък!“ Някой вече е изчислил размера на колайдера, необходим за постигане на такива енергии, той трябва да е много по-голям от планетата Земя. Но ето какво е.
Помните ли, преди пускането на LHC в света (повече, разбира се, в пресата) имаше истерия, че сблъсъците в колайдера ще образуват ужасна черна дупка, която ще изяде всички нас? Енергията на сблъсък в LHC, ако не знаете, може да погледнете в Wikipedia - 14 TeV (14x10 12 електрон волта). И така наречените "космически лъчи", при които някои частици достигат енергии, милиони пъти по-високи от тези, периодично се изливат върху Земята директно върху главите ни. Откъде идват тези частици не е известно. Още по-лошото е, че те изобщо не трябва да съществуват. Има така наречената граница на GZK (границата на Грейзен - Зацепин - Кузмин по имената на учените, които са я открили). Той казва, че частица с енергия по-висока от 50 EeV (екзаелектонволт, 5x10 19) не може да лети до Земята. Всички частици с по-високи енергии трябва буквално "забавете реликтовата радиация"и да не достигне Земята. Но елате, те летят и с много по-високи енергии. Това все още е неразгадана загадка на науката, откъде произлизат и как достигат до нас, откъдето идва и едноименният парадокс.
И така, тези частици са там, те идват при нас и отделят много по-големи количества енергия, отколкото нещастните хора дори могат да си представят с всичките си LHC и синхрофазатрони. И нищо, не се образуват черни дупки, Вселената не умира. Така че е твърде рано да се тревожим за това, най-вероятно не трябва да се страхуваме от никакъв хитър бозон.
Но има и друга версия на вакуумния скок от фалшиво състояние в истинско. Спонтанен. Не зависи от нищо, не от никакви частици, енергии и сблъсъци. Чисто поради законите на квантовата механика. В тази механика има така наречения тунелен ефект, когато някаква частица може съвсем случайно да "прескочи потенциална планина" и да бъде зад нея, в буквалния смисъл - като тунелпрез и направо. В случая това не е някакъв забавен теоретичен инцидент, интересен само под формата на хитра формула на хартия. Всички ние в момента използваме този ефект в нашата електроника, например в този компютър или таблет, с който четете текущата публикация, също има тунелен диод, транзистор или някаква друга хитра микросхема, която директно използва това квантовомеханичен ефект за своя собствена (т.е. наша) пряка полза.
Така че в ситуация с фалшив вакуум може да се случи някой гад да го вземе и да прескочи планината без причина. И повлечете останалата част от вселената със себе си. Шансовете за такъв изход са много, много малки (в квантовата механика по принцип всичко може да се случи, но с определена вероятност във всеки конкретен случай). Веднага рисковете обикновено са неизчислимо малки, броят на нулите след десетичната запетая във вероятността за такова събитие няма да се побере в нито една галактика, дори ако ги отпечатате с дребен шрифт директно във вакуум. Вселената обаче също е доста голяма (може би безкрайна). Кой знае, може би някъде този преход-скок вече е настъпил и друга Вселена се движи към нас с изпепеляващия меч на Немезида със скоростта на светлината, с нов, подобрен(но, уви, не за нас) по законите на физиката.
От друга страна, ако тази топка произхожда от милиард светлинни години от нас, няма защо да се притеснявате. Ще има милиард (или пет, или десет, кой знае) години на склад. През това време със сигурност ще се случат още много интересни и смъртоносни събития и катаклизми, човешката цивилизация ще има възможност да бъде унищожена сто пъти повече - струва ли си да се страхуваме от сто и първото, при това моментално и безболезнено?
