Ne taip seniai žiniasklaidoje pasirodė žinia itin paniška antrašte: fizikai neva išsiaiškino, kad Higso bozonas sukels Visatos mirtį! Išsamų aprašymą apie tai, kas iš tikrųjų buvo turėta omenyje, galima rasti mūsų informaciniame biuletenyje. Gandai apie visatos mirtį yra labai perdėti. Naudinga šį aprašymą užbaigti užduotimi, kuri – su keliomis užuominomis – bus tinkama geram mokiniui. Jis susidoros su ne mažiau kaip kvantiniu vakuumo skilimu.
Kvantiniame pasaulyje yra toks dalykas kaip tuneliavimas. Taip vadinamas kvantinės dalelės judėjimas, kuris būtų neįmanomas klasikinės mechanikos rėmuose. Pavyzdžiui, tarkime, kad turime dvigubą potencialo šulinį, kuriame vienas minimumas yra šiek tiek gilesnis už kitą (2 pav.). Klasikinė mechanika sako, kad jei dalelė dedama į ne tokios gilios skylės dugną, ji ten išliks amžinai. Kvantinė mechanika prognozuoja, kad dalelė ten neliks amžinai: po kurio laiko ją jau galima rasti gilesniame minimume. Jis tuneliavo nepaisant to, kad neturėjo pakankamai energijos, kad galėtų sklandžiai pereiti per potencialų barjerą, skiriantį dvi žemumas.
Paprasčiausias šios situacijos variantas yra „Higgs“ laukas h(r) su tokiu potencialios energijos tankiu (jis taip pat vadinamas "potencialu"):
čia r yra trimatė erdvinė koordinatė, v- tam tikras energijos matmuo (tikram Higso laukui jis yra maždaug lygus 246 GeV). Minimali energija bus tada, kai laukas bus visoje erdvėje h(r) bus lygus konstantai: v arba - v. Bet koks erdvėje besikeičiantis laukas būtinai sukels daugiau energijos. Potencialaus barjero, skiriančio du minimumus, aukštis yra
Šioje formoje abi vakuuminio vidutinio lauko reikšmės yra lygios, nes potencialas yra simetriškas. Tačiau pasirodo, kad ne minimaliose Higgso mechanizmo versijose situacija, panaši į Fig. 2. Juose potencialas šiek tiek pakrypęs vieno iš minimumų „naudai“ (3 pav.). Šiuo atveju potencialo barjero forma ir aukštis praktiškai nesikeičia (todėl galima naudoti formulę, skirtą δ ), tačiau tarp šių dviejų minimumų skiriasi energijos tankis ε . Tai, kad įstrižas mažas, tai reiškia δ /ε ≫ 1.
Dabar svarbiausias momentas. Du „vakuumai“ dabar skiriasi. Tas, kuris yra gilesnis – tikrasis vakuumas – atitinka minimalų energijos tankį, ir jis yra amžinas. Tas, kuris yra aukštesnis – netikras vakuumas – nėra visiškai stabilus. Kol kas jis gali atrodyti kaip įprastas vakuumas, jame taip pat gali skraidyti dalelės, atsirasti sąveikų, formuotis žvaigždės ir planetos. Tačiau visada yra galimybė, kad šis vakuumas „sulaužys“, kad tuneliuos į stabilesnį tikrą vakuumą.
Šis kvantinis vakuumo skilimas atrodo taip. Tam tikru metu Visatoje, kuri yra „klaidingo vakuumo“ būsenoje, atsiranda tikrojo vakuumo burbulas (1 pav.). „Pasirodo“ yra sąlyginis teiginys; tai reiškia, kad šioje erdvės srityje Higso laukas pateko į tikrąjį vakuumą. Perėjimas tarp tikrojo ir klaidingo vakuumo srities negali būti nenutrūkstamas, teorija tokios galimybės neleidžia. Todėl yra plona tarpinė zona (burbulo sienelė), kurioje Higgso laukas sklandžiai pereina iš vieno vakuumo į kitą, pakeliui įveikdamas potencialų barjerą.
Jei šis burbulas yra energetiškai palankus, tada jis pradės plėstis, iš pradžių lėtai, bet vėliau įsibėgės iki šviesos greičio. Vykstant tokiam perėjimui, dalelių savybės smarkiai pasikeis, o Visatoje išsiskirs daug papildomos energijos, kuri anksčiau buvo kaupiama netikrame vakuume. Kitaip tariant, tokio vakuumo žlugimo pasekmės bus katastrofiškos visoms struktūroms, kurios gyveno „senojoje“ Visatoje. Šis procesas daugeliu atžvilgių primena perkaitinto skysčio užvirimą, tik, žinoma, mastai čia nevienodi.
Užduotis
Paaiškinimas apie matavimo vienetus ir matmenis. Kvantinėje mechanikoje dažnai naudojami vadinamieji natūralūs matavimo vienetai, kuriuose viskas išreiškiama energijomis, o Plancko konstanta ( ħ ) ir šviesos greitį ( c) yra įtrauktos į matavimo vieneto apibrėžimą. Dėl to ilgis išreiškiamas ne metrais, o abipusiais energijos vienetais, pavyzdžiui, J -1 arba eV -1. Perėjimo veiksnys yra derinys ħc: pavyzdžiui, 1 GeV –1 atitinka ilgį = 1 GeV –1 · ħc= 0,197 fm. Dėl šios priežasties energijos tankis, kurio tikrasis matmuo yra J m -3 , čia išreiškiamas energijos vienetais iki ketvirtosios laipsnio. Atitinkamai, paviršiaus įtempimo koeficientas, kurio matmuo J m -2, bus išreiškiamas natūraliais vienetais kubo energija.
1 patarimas
Žinoma, sąžiningas visavertis sprendimas yra rimta mokslinė problema. Tačiau iš gana paprastų argumentų, pagrįstų matmenų analize, galima pateikti labai apytikslį gyvenimo trukmės įvertinimą. Iš karto pasakykime, kad laikas iki žlugimo bus eksponentiškai didelis, T ~ eB, ir reikia įvertinti, kaip kiekis B priklauso nuo santykių δ /ε .
2 patarimas
Panagrinėkime nejudantį spindulio „tikro vakuumo“ burbulą R Visatoje, kuri yra „klaidingo vakuumo“ būsenoje. Įvertinkime bendrą šio burbulo energiją, palyginti su klaidingu vakuumu. Burbulas užpildytas tikru vakuumu, kuris suteikia burbului neigiamą energiją. Tačiau burbulas turi plonas sieneles, kuriose Higso laukas sklandžiai pereina iš tikrojo į netikrą vakuumą. Šios sienos turi teigiamą energiją, panašią į paviršiaus įtempimą ties skysčio riba. Remdamiesi matmenimis, įvertinkite sienos paviršiaus įtempimo koeficientą šioje užduotyje. Po to suraskite kritinį burbulo dydį, kuris turi atsirasti kažkur Visatoje, kad nuo jo prasidėtų vakuumo irimas. Paskutiniame žingsnyje pabandykite suprasti, kaip tokio burbulo atsiradimo tikimybė visatoje priklauso nuo jo dydžio. Tada pakeiskite rastą dydį ir gaukite atsakymą.
Sprendimas
1 žingsnis. Bendra plonasienio spindulio burbulo energija R yra lygus
Kritinis burbulo dydis, nuo kurio prasidės vakuumo irimas visoje Visatoje, apskaičiuojamas taip pat, kaip ir kritinis garų burbulo dydis perkaitinto skysčio virimo pradžiai. Tik būtina, kad bendra šio burbulo energija būtų neigiama. Iš to gauname, kad kritinis burbulo spindulys yra lygus
Paviršiaus įtempimas σ galima įvertinti pagal matmenis, tačiau yra vienas subtilumas. Apskritai, matmenimis pagrįsti įvertinimai veikia, kai užduotyje nerodomas bematis parametras. Čia yra toks variantas: δ /ε . Todėl remiantis vien matmenimis, negalima pasakyti, ar σ įsakymas δ 3/4 arba užsisakyti ε 3/4 arba bet koks tinkamo dydžio jų derinys.
Tačiau čia gelbsti papildomas fizinis argumentas. Vertė ε neturėtų būti įtraukta į šią formulę, bent jau tol, kol ji išlieka maža. Iš tiesų čia yra paviršiaus įtampa, nes Higso laukas „rieda per kalną“. Nedidelio „aukštumo skirtumo“ buvimas čia nevaidina reikšmingo vaidmens; maždaug toks pat paviršiaus įtempis bus lygus nuliui ε . Todėl iš to galima daryti išvadą, kad σ ~ δ 3/4 ~ v 3 (į galimą skaitinį koeficientą nekreipiame dėmesio, mus domina tik priklausomybė tarp dydžių). Taigi gauname, kad kritinis burbulo dydis yra lygus pagal dydį
2 žingsnis Dabar turime gauti tokio burbulo atsiradimo Visatoje tikimybę. Įsivaizduokime, kad visa erdvė yra „sulaužyta“ į mažus tūrius r = 1/v(natūraliais vienetais!). Toks dydis pasirinktas neatsitiktinai: pagal neapibrėžtumo santykį kvantiniai svyravimai su eilės energijomis v. Tai reiškia, kad Higso lauko potencialios energijos tankis svyruoja iki eilės verčių v 4 = δ . Kitaip tariant, tokiu tūriu Higso laukas lengvai šokinėja pirmyn ir atgal ir ypač gali pereiti potencialų kalną.
Pažymėti p tikimybė, kad šiame mažame tūryje laiku τv = 1/v bus šuolis nuo klaidingo vakuumo prie tikro. Akivaizdu, kad ši tikimybė yra didelė. Tiksli vertė mums visiškai nesvarbu, ji gali būti ir 99%, ir 50%, ir 1%, tai įvertinimams įtakos neturės. Bet mums bus patogu šią tikimybę parašyti eksponentine forma: p = e – q, kur numeris q vienybės tvarka.
Kad susidarytų tikras vakuuminis burbulas, šis šuolis turi įvykti sinchroniškai (ty per tam tikrą laiką τv) iš karto visame dydžio burbule Rc. Šis burbulas turi
maži tūriai, ir kiekvienas iš jų su tikimybe šokinėja savarankiškai p. Taigi tikimybė, kad jie visi šokinėja vienu metu, yra
ir skaitinis koeficientas q, kuri yra vienybės tvarka, mes čia nepaisėme. Pakeitę aukščiau pateiktas reikšmes, gauname burbulo gimimo tikimybę tam tikroje erdvės vietoje per tam tikrą laiką. τv:
3 veiksmas Dabar atsižvelgiame į matomos Visatos dalies matmenis, kurių spindulys žymimas R U. Kritinis burbulas gali gimti bet kurioje visatos vietoje, kurioje yra ( R U/Rc) 3 tokie burbuliukai. Jei lauki laiko T, tada visata turės T/τv bando sukurti tokį burbulą. Todėl, jei lauksite labai ilgai ir žiūrėsite į visą Visatą kaip į visumą, anksčiau ar vėliau tai kažkur įvyks. Įprastas laukimo laikas bus nurodytas
Matyti, kad už δ /ε ≫ 1 šis laikas gali būti labai ilgas.
Iš esmės tai jau yra norimas atsakymas. Bet čia pravartu pasakyti ką kita. Tikslesnė analizė rodo, kad vertė B taip pat yra gana didelis skaitinis koeficientas:
Todėl net jei santykiai δ /ε nėra toks didelis, pavyzdžiui, lygus dviem, tada eksponentas B vis tiek bus didelis, todėl metastabilaus vakuumo gyvavimo laikas bus didžiulis, gerokai viršijantis dabartinį Visatos amžių.
Pokalbis
Tokį įvertinimą – ne Higso bozono atžvilgiu, o platesniame kontekste – pirmą kartą 1974 m. pateikė sovietų fizikai Kobzarevas, Okunas ir Vološinas. Po trejų metų problemą Colemanas išsprendė daug griežčiau. Po to sekė eilė straipsnių su dar tikslesne metastabiliojo vakuumo nykimo analize, kurioje, beje, gravitaciniai efektai pasirodė labai svarbūs. Šis procesas ir pati galimybė panaudoti metastabilų vakuumą tvirtai pateko į kosmologiją kaip galimą Visatos evoliucijos scenarijų ankstyviausiuose jos etapuose.
Įdomu tai, kad neseniai šioje istorijoje nutiko dar vienas zigzagas. Prieš pusantrų metų buvo pareikšti įtarimai, kad metastabilūs vakuumai mūsų erdvėlaikyje iš viso negali egzistuoti, nes jie nyksta visai ne lėtai, kaip manyta iki šiol, o atvirkščiai - be galo greitai. Tačiau tuomet šiems įtarimams buvo pateiktas prieštaravimas: išvada apie be galo greitą skilimą grindžiama nepagrįsta formulių ekstrapoliacija, peržengiančia mums žinomų fizikos dėsnių pritaikomumo ribas. Taigi pavojaus signalas pasirodė esąs klaidingas, o metastabilios vakuuminės būsenos, bent jau teoriškai, yra priimtinos.
Grįžtant prie diskusijos, ar Standartinio modelio Higgso vakuumas yra stabilus, ar ne, pabrėžiame, kad ten situacija kiek kitokia (potencialas atrodo kitaip, o skaičiai labai skirtingi). Tačiau bendra „moralė“ išlieka ta pati: jei barjeras yra aukštas, tai užtruks labai ilgai, o jei barjeras mažas, tada irimas bus gana greitas. Laimei, tai mums negresia.
Neįtikėtiniausia pasaulio pabaiga būtų pasaulio sunaikinimas dėl netikro vakuumo žlugimo. Tokiu atveju nustotų egzistuoti ne tik žmonės, planeta, Saulė ir Paukščių Takas, bet ir visa stebima Visata. Mokslininkai, ypač filosofas Nickas Bostromas, darbo „Ar tu gyveni kompiuteriniame modeliavime?“ autorius, ne kartą gąsdino žmoniją tokia ateitimi. Koks pavojingas tikras vakuumas gyvybei Žemėje – medžiagoje „Lenta.ru“.
Vakuumas kvantinio lauko teorijoje atitinka sistemos būseną su mažiausia įmanoma energija. Visi fiziniai procesai tokiame pasaulyje vyksta, kai energija viršija šią nulinę vertę. Tuo tarpu gali būti, kad Visata arba jos stebima dalis yra metastabiliame arba klaidingame vakuume. Tai reiškia, kad yra dar palankesnė energetinė padėtis, į kurią gali išsivystyti Visata – tikras vakuumas.
Kiekybinį sistemos perėjimo iš klaidingo vakuumo į tikrą vakuumą aprašymą aštuntajame dešimtmetyje pirmą kartą pasiūlė sovietų fizikai. Beveik tuo pačiu metu šie klausimai patraukė amerikiečių mokslininkų dėmesį. Iki šiol buvo sukurtas matematinis aparatas, leidžiantis įvertinti tikimybę, kad sistema tuneliuoja iš pradinės metastabilios būsenos į antrąją, stabilesnę. Jis daugiausia pagrįstas statistine fizika ir kvantinio lauko teorija, kurios sudaro vadinamojo kosmologinio burbulo formalizmo pagrindą.
Taikant šį metodą, stebimas pasaulis laikomas netikrame vakuume. Ši būsena, greičiausiai, yra metastabilios prigimties – visa Visata arba ta jos dalis, kurią mato žmogus, gali būti stabilios būsenos didžiulį kosmologinį laiko intervalą, kuris vis dėlto yra baigtinis. Tikras vakuuminis burbulas gali susidaryti netikro vakuumo burbulo viduje. Visatos evoliucija šiuo atveju vyksta dėl pradinės metastabilios būsenos irimo.
Tikro vakuumo burbulas plečiasi netikro vakuumo burbulo viduje pagal specialiąją reliatyvumo teoriją ne greičiau nei šviesos greitis ir sunaikina visą pirminio pasaulio materiją. Todėl jie kalba apie galimą stebimos visatos mirtį. Tačiau kiekybinė klaidingo vakuuminio skilimo analizė yra susijusi su dideliu neapibrėžtumu.
Svarbiausia yra įvertinti naujos kosmologinės fazės burbulo gimimo tikimybę. Yra du pagrindiniai metodai, leidžiantys kiek įmanoma supaprastinti problemą ir gauti aiškias perėjimo tikimybės išraiškas – plonos ir storos sienos aproksimacijos. Standartinio modelio Higso potencialas (kitaip tariant – Ginzburgas-Landau) – šiuolaikinė elementariųjų dalelių fizikos samprata – veikia kaip pagrindinis objektas. Jame yra Higso laukas, atsakingas už inercinės masės atsiradimą dalelėse.
Tikrojo vakuumo burbulo susidarymas klaidingo burbule atitinka pirmos rūšies fazinį perėjimą, kai sistemoje vyksta staigus, o ne nuolatinis pokytis, kaip antrojo tipo fazinio perėjimo atveju. Abiejuose aproksimacijose pagrindinis dalykas yra potencialo barjero, skiriančio klaidingą ir tikrąjį vakuumą, aukštis. Plonos sienelės aproksimacija veikia, kai skirtumas tarp klaidingo ir tikrojo potencialo minimumo yra daug mažesnis už barjero aukštį tarp jų.
Jei sienelės storis yra daug mažesnis už burbulo spindulį, pagrindinį indėlį į jo atsiradimo tikimybę įneša paviršius, o ne tūrinė energija. Tikimybės apibrėžimas šiuo atveju sumažinamas iki eksponento skaičiavimo. Storosios sienos aproksimacija daug rečiau naudojama fiziškai įdomiose teorijose. Ir aišku kodėl: tokiu atveju naujos fazės burbuliukų susidarymo tikimybė eksponentiškai slopinama – klaidingas vakuumas praktiškai nesiskiria nuo tikrojo.
Tuneliavimo tikimybė priklauso nuo Higso potencialo kvantinių korekcijų, ypač nuo sunkiųjų dalelių indėlio. Šiuo metu viršutinis kvarkas laikomas sunkiausia elementaria dalele – jo masė viršija 173 gigaelektronvoltus. Štai kodėl naujų sunkiųjų dalelių atradimas yra toks svarbus kosmologiniams modeliams – tai gali turėti įtakos stebimo pasaulio stabilumo prognozėms.
Ypatingas vaidmuo vakuumo irimo gravitacija - erdvės-laiko kreivumą. Visų pirma, mikroskopinės juodosios skylės, kurios gali atsirasti susidūrus didelės energijos dalelėms, šimtus kartų padidina tikimybę, kad jų apylinkėse atsiras tikras vakuumas. Kosmologinių burbulų dinamika dar sudėtingesnė, jei pirminės Visatos viduje susidaro keli burbuliukai – besiplečiantys ir susidūrę vienas su kitu sukuria naują pasaulį su tikru vakuumu.
Šiandien nežinoma, kokios būklės yra visata. Jei tai tikras vakuumas, nėra ko jaudintis. Jei klaidinga, tada greičiausiai irgi - stebimos Visatos matmenys yra per dideli, kad naujas burbulas, besiplečiantis šviesos greičiu, užpildytų visą pasaulį per bet kokį protingą laiką pagal žmogaus standartus. Tačiau yra išimtis – jei artimiausioje žmonijos aplinkoje kažkokiu būdu atsiranda naujas etapas. Tada Žemė gali mirti beveik akimirksniu.
– Ar gali iš nieko ką nors padaryti, dėde? - Ne, mano drauge, iš nieko nieko neišeis.
Šekspyras, „Karalius Lyras“ (vertė T.L. Shchepkina-Kupernik)
Vakuumas yra tuščia erdvė. Jis dažnai vartojamas kaip „nieko“ sinonimas. Štai kodėl vakuuminės energijos idėja atrodė tokia keista, kai ją pirmą kartą iškėlė Einšteinas. Tačiau pastarųjų trijų dešimtmečių elementariųjų dalelių teorijos laimėjimų įtakoje fizikų požiūris į vakuumą radikaliai pasikeitė. Vakuuminiai tyrimai tęsiami ir kuo daugiau apie tai sužinome, tuo sudėtingiau ir stebiniau tai atrodo.
Remiantis šiuolaikinėmis elementariųjų dalelių teorijomis, vakuumas yra fizinis objektas; jis gali būti įkrautas energija ir gali būti įvairių būsenų. Fizikų terminologijoje šios būsenos vadinamos skirtingais vakuumais. Elementariųjų dalelių tipus, jų mases ir sąveiką lemia jame esantis vakuumas. Ryšys tarp dalelių ir vakuumo yra panašus į ryšį tarp garso bangų ir medžiagos, per kurią jos sklinda. Vakuumas, kuriame gyvename, yra žemiausios energijos būsenoje, jis vadinamas „tikru vakuumu“. Gali būti, kad mūsų vakuumas nėra pačios mažiausios energijos. Stygų teorija, kuri šiandien yra pagrindinė kandidatė į svarbiausios fizinės teorijos vaidmenį, daro prielaidą, kad egzistuoja vakuumai su neigiama energija. Jei jie tikrai egzistuoja, mūsų vakuumas savaime suirs ir turės katastrofiškų pasekmių visiems jame esantiems materialiems objektams.
Fizikai sukaupė daug žinių apie tokio tipo vakuume gyvenančias daleles ir tarp jų veikiančias jėgas. Pavyzdžiui, stipri branduolinė jėga suriša protonus ir neutronus atomų branduoliuose, elektromagnetinės jėgos išlaiko elektronus savo orbitose aplink branduolius, o silpnoji jėga yra atsakinga už sunkiai suvokiamų šviesos dalelių, vadinamų neutrinais, elgesį. Kaip rodo jų pavadinimai, šios trys jėgos yra labai skirtingo stiprumo, o elektromagnetinė jėga yra tarp stiprios ir silpnos.
Elementariųjų dalelių savybės kituose vakuumuose gali būti visiškai skirtingos. Nežinia, kiek yra skirtingų vakuumų, tačiau elementariųjų dalelių fizika rodo, kad tikriausiai turėtų būti dar bent du, be to, su didesne simetrija ir mažesne dalelių bei sąveikų įvairove. Pirmasis iš jų yra vadinamasis elektrosilpnas vakuumas, kuriame elektromagnetinė ir silpnoji sąveika yra vienodo stiprumo ir atrodo kaip vienos kombinuotos jėgos komponentai. Šiame vakuume elektronų masė nulinė ir jų negalima atskirti nuo neutrinų. Jie juda šviesos greičiu ir negali būti laikomi atomuose. Nenuostabu, kad mes negyvename tokio tipo vakuume.
Antrasis – Didžiojo susivienijimo vakuumas, kuriame susilieja visi trys dalelių sąveikos tipai. Šioje labai simetriškoje būsenoje neutrinai, elektronai ir kvarkai (kurie sudaro protonus ir neutronus) tampa keičiami. Jei elektriškai silpnas vakuumas beveik neabejotinai egzistuoja, tada Didžiojo susivienijimo vakuumas yra daug labiau spekuliatyvus konstruktas. Dalelių teorijos, numatančios jo egzistavimą, yra teoriškai patrauklios, tačiau apima itin didelę energiją, o jų stebėjimo įrodymai yra negausūs ir dažniausiai netiesioginiai.
Kiekviename elektrosilpno vakuumo kubiniame centimetre yra didžiulė energija ir, remiantis Einšteino masės ir energijos santykiu, didžiulė masė, apie dešimt milijonų trilijonų tonų (apie Mėnulio masę). Susidūrę su tokiais didžiuliais skaičiais, fizikai pereina prie sutrumpinto skaičių žymėjimo, išreikšdami juos dešimtimis. Trilijonas yra vienas, po kurio seka 12 nulių; parašyta kaip 10^12. Dešimt milijonų trilijonų yra vienas, po kurio seka 19 nulių; tai yra, elektrosilpno vakuumo masės tankis yra 10^19 tonų kubiniame centimetre. Didžiojo susivienijimo vakuume masės tankis pasirodo dar didesnis ir nepaprastai didesnis - 10^48 kartus. Nereikia nė sakyti, kad šis vakuumas niekada nebuvo sukurtas laboratorijoje: jam prireiktų daug daugiau energijos nei turima naudojant dabartines technologijas.
Palyginti su šiais stulbinančiais dydžiais, įprasto tikro vakuumo energija yra nereikšminga. Ilgą laiką buvo manoma, kad jis yra tiksliai nulis, tačiau naujausi stebėjimai rodo, kad vakuumas gali turėti nedidelę teigiamą energiją, kuri prilygsta trijų vandenilio atomų masei viename kubiniame metre. Šio atradimo reikšmė paaiškės 9, 12 ir 14 skyriuose. Didelės energijos vakuumai vadinami „netikrais“, nes, skirtingai nei tikri vakuumai, jie yra nestabilūs. Po trumpo laiko, dažniausiai nedidelės sekundės dalies, netikras vakuumas suyra, virsdamas tikruoju, o jo energijos perteklius išsiskiria elementariųjų dalelių ugnies kamuolio pavidalu. Tolesniuose skyriuose vakuuminio skilimo procesą apžvelgsime daug išsamiau.
Jei vakuumas turi energijos, tai, pasak Einšteino, jis turi turėti ir įtampą. Šią išvadą lengva suprasti iš paprastų energijos šaltinių. Jėga visada veikia fizinį objektą jo energijos mažinimo kryptimi. (Konkrečiau, potenciali energija, kuri yra nejudanti energijos dalis.) Pavyzdžiui, gravitacija traukia objektus žemyn, energijos mažėjimo kryptimi. (Gravitacijos energija didėja didėjant aukščiui virš žemės.) Klaidingo vakuumo energija yra proporcinga jo užimamam tūriui ir gali būti sumažinta tik sumažinus tūrį. Todėl turi būti jėga, dėl kurios vakuumas susispaudžia. Ši jėga yra įtampa.
Tačiau įtampa sukuria atstumiantį gravitacinį efektą. Vakuumo atveju atstūmimas yra tris kartus stipresnis už gravitacinį trauką dėl savo masės, todėl bendras atstūmimas yra labai stiprus. Einšteinas panaudojo šią vakuuminę antigravitaciją, kad subalansuotų įprastos materijos gravitacinę trauką savo stacionariame pasaulio modelyje. Jis nustatė, kad pusiausvyra pasiekiama, kai medžiagos masės tankis yra du kartus didesnis už vakuumą. Guthas pasiūlė kitą planą: užuot subalansavęs visatą, norėjo ją išpūsti. Taigi jis leido bepriešingai dominuoti atstumiančiai klaidingo vakuumo sunkumui.
erdvės infliacija
Alanas Guthas savo biure MIT. Guthas didžiuojasi 1995 m. Bostono gaublio konkurso už netvarkingą kabinetą nugalėtojas.
Kas atsitiktų, jei tolimoje praeityje visatos erdvė būtų netikro vakuumo būsenoje? Jei materijos tankis toje epochoje būtų mažesnis, nei reikalinga visatos pusiausvyrai subalansuoti, tuomet būtų dominavusi atstumiančioji gravitacija. Tai paskatintų visatą plėstis, net jei ji iš pradžių neišsiplėtė.
Kad mūsų idėjos būtų tikslesnės, manysime, kad Visata yra uždara. Tada jis prisipučia kaip balionas 3.1 pav. Didėjant Visatos tūriui, medžiaga retėja ir jos tankis mažėja. Tačiau klaidingas vakuuminis masės tankis yra fiksuota konstanta; jis visada lieka toks pat. Taigi labai greitai medžiagos tankis tampa nereikšmingas, mums lieka tolygi besiplečianti netikro vakuumo jūra.
Išsiplėtimą sukelia klaidingo vakuumo įtampa, kuri yra didesnė nei trauka, susijusi su jo masės tankiu. Kadangi nė vienas iš šių dydžių laikui bėgant nesikeičia, plėtimosi greitis išlieka pastovus iki didelio tikslumo. Šis greitis apibūdinamas proporcija, kuria visata plečiasi per laiko vienetą (tarkim, vieną sekundę). Ta prasme ši reikšmė labai panaši į infliacijos tempą ekonomikoje – procentinį kainų padidėjimą per metus. 1980 m., kai Guthas dėstė seminarą Harvarde, JAV infliacijos lygis buvo 14%. Jei ši vertė nesikeistų, kainos padvigubėtų kas 5,3 metų. Panašiai, pastovus Visatos plėtimosi greitis reiškia, kad yra fiksuotas laiko tarpas, per kurį visatos dydis padvigubėja.
Augimas, kuriam būdingas pastovus padvigubėjimo laikas, vadinamas eksponentiniu augimu. Žinoma, kad tai labai greitai sukelia milžiniškus skaičius. Jei šiandien picos gabalėlis kainuoja 1 USD, tai po 10 padvigubinimo ciklų (mūsų pavyzdyje 53 metai) jo kaina bus 1024 USD, o po 330 ciklų ji sieks 10^100 USD. Šis didžiulis skaičius, po kurio yra 100 nulių, turi specialų pavadinimą - googol. Guthas kosmologijoje pasiūlė naudoti terminą infliacija eksponentiniam visatos plėtimuisi apibūdinti.
Visatos, užpildytos klaidingu vakuumu, padvigubėjimo laikas yra neįtikėtinai trumpas. Ir kuo didesnė vakuumo energija, tuo ji trumpesnė. Elektrosilpno vakuumo atveju visata išsiplėstų googolio koeficientu per trisdešimtąją mikrosekundės dalį, o esant Didžiajam susijungimo vakuumui, tai įvyktų 10^26 kartus greičiau. Per tokią trumpą sekundės dalį atomo dydžio regionas išsipučia iki dydžio, kuris bus daug didesnis nei visa šiandien stebima visata.
Kadangi netikras vakuumas yra nestabilus, jis ilgainiui suyra ir jo energija uždega dalelių ugnį. Šis įvykis žymi infliacijos pabaigą ir normalios kosmologinės evoliucijos pradžią. Taigi, iš mažyčio pradinio embriono gauname didžiulę karštai besiplečiančią Visatą. Ir kaip papildoma premija, šis scenarijus stebuklingai pašalina horizonto ir plokščios geometrijos problemas, būdingas Didžiojo sprogimo kosmologijai.
Horizonto problemos esmė ta, kad atstumai tarp kai kurių stebimos visatos dalių yra tokie, kad atrodo, kad jie visada buvo didesni už atstumą, kurį šviesa nukeliavo nuo Didžiojo sprogimo. Tai rodo, kad jie niekada nebendravo vienas su kitu, ir tada sunku paaiškinti, kaip jie pasiekė beveik tikslią temperatūrų ir tankių vienodumą. Standartinėje Didžiojo sprogimo teorijoje šviesos nueitas kelias auga proporcingai Visatos amžiui, o atstumas tarp regionų didėja lėčiau, nes kosminį plėtimąsi stabdo gravitacija. Sritys, kurios šiandien negali sąveikauti, galės daryti įtaką viena kitai ateityje, kai šviesa pagaliau apims jas skiriantį atstumą. Tačiau anksčiau šviesos nuvažiuojamas atstumas tampa dar trumpesnis nei turėtų būti, todėl jei regionai negali sąveikauti šiandien, jie to negalėjo padaryti anksčiau. Todėl problemos esmė yra susijusi su patrauklia gravitacijos prigimtimi, dėl kurios plėtimasis palaipsniui lėtėja.
Tačiau netikroje vakuuminėje visatoje gravitacija yra atstumianti ir, užuot lėtinusi plėtimąsi, ją pagreitina. Šiuo atveju situacija yra atvirkštinė: zonos, galinčios keistis šviesos signalais, ateityje neteks šios galimybės. Ir, dar svarbiau, tos sritys, kurios šiandien yra neprieinamos viena kitai, turėjo sąveikauti praeityje. Horizonto problema dingo!
Lygios erdvės problema išspręsta lygiai taip pat lengvai. Pasirodo, Visata tolsta nuo kritinio tankio tik tada, kai jos plėtimasis sulėtėja. Pagreitėjusios infliacijos plėtimosi atveju yra atvirkščiai: Visata artėja prie kritinio tankio, vadinasi, tampa plokštesnė. Kadangi infliacija padidina visatą milžinišku veiksniu, matome tik nedidelę jos dalelę. Šis stebimas regionas atrodo plokščias, panašus į mūsų Žemę, kuri taip pat atrodo plokščia žiūrint arti paviršiaus. Taigi, trumpas infliacijos laikotarpis daro visatą didelę, karštą, vienodą ir plokščią, sukuriant tokias pradines sąlygas, kokios reikia standartinei didžiojo sprogimo kosmologijai...
Pastarojo pasaulio pabaigos prognozės yra nauja tendencija populiariojoje pastarojo meto kultūroje. Įvairaus plauko futurologai ir okultistai varžosi aprašydami spalvingą žmonijos istorijos finalą. Mokslininkai neatsilieka nuo pasaulinių tendencijų ir mano, kad Žemės mirties priežastis bus dviejų esybių – netikro ir tikrojo vakuumo – sąveika. Siužetas toks įdomus, kad pritraukia Holivudo blokbasterį.
Nurodymas
Prieš pradedant iššifruoti kvantinės mechanikos sąvokas, būtina pasidomėti, kas yra investuojama į sąvoką " vakuumas Skirtinguose kontekstuose:
- Bendru atveju manoma, kad šioje erdvėje nėra materijos. Išvertus iš lotynų kalbos, žodis verčiamas kaip „laisvė“ arba „tuštuma“;
- Inžinerinėje ir taikomojoje fizikoje: bet kuri erdvė, kurioje slėgis yra mažesnis už atmosferos slėgį. Taigi, angliškas dulkių siurblio pavadinimas yra " vakuumasšvaresnis“ tiksliai nurodo šį aiškinimą;
- XIX amžiaus gamtos mokslų tyrimų kontekste: tai aplinka, užpildyta visur esančia medžiaga, vadinama eteriu;
- Elektromagnetizme: etaloninė terpė elektromagnetiniam poveikiui. Tai nesudaro kliūčių spinduliuotei plisti. Jame dviejų elektrinių potencialų superpozicijos principas yra tik paprastas kiekvieno potencialo pridėjimas.
Filosofiniai ginčai dėl „tuštumos“ ir „nieko“ sąvokų tęsiasi jau daugiau nei du tūkstančius metų. Pirmuosius bandymus žengti ant šio drebančio inksto padarė Platonas, tačiau jo idėjos iškart buvo atmestos: nieko negalima suvokti pojūčiais – vadinasi, neįmanoma įrodyti jo egzistavimo.
Kas yra tikrasis vakuumas?
Dažniausiai laboratorinėmis ir natūraliomis sąlygomis fizikai susiduria su vadinamuoju daliniu vakuumu, kuris kažkiek nukrypsta nuo „sterilių“ sąlygų. Kosmosas gali būti tokio „vakuumo“ pavyzdys:
- Jis turi itin mažą tankį ir slėgį;
- Tačiau net ir tarpžvaigždinėje erdvėje viename kubiniame metre yra keli vandenilio atomai;
- Planetos ir žvaigždės yra dar toliau nuo idealių sąlygų: jos turi savo atmosferą dėl gravitacinės traukos;
- Tiesą sakant, erdvė yra išretėjusi plazma, užpildyta įkrautomis dalelėmis ir elektromagnetiniais laukais.
Priešingai nei toks netobulas modelis, egzistuoja „idealaus vakuumo“ sąvoka, kuri kvantinio lauko teorijoje yra vadinamoji pagrindinė būsena:
- Tai būsena su mažiausia įmanoma (nuline) energija;
- Eksperimentiškai to pasiekti nepavyks, jis egzistuoja tik „ant rašiklio galiuko“;
- Nepaisant vidutinių nulinių elektrinių ir magnetinių laukų verčių, jų dispersija nėra lygi nuliui;
- Kartais virtualios dalelės atsiranda ir išnyksta tokioje „tuštumoje“ (reiškinys vadinamas svyravimu).
Fizinės teorijos
Šiuolaikinės kvantinės fizikos rėmuose tikrojo fizinio vakuumo teorija nėra iki galo išvystyta. Yra keletas šio reiškinio tyrimo metodų:
- Daug dalelių su maža energija;
- Ląstelinė terpė, turinti neigiamą slėgį;
- Kvantinis skystis, susidedantis iš fotoninių dalelių. Jie yra sujungti į mozaiką, panašią į kristalinį cheminį ryšį;
- Kvazidalelių skystis, turintis superskysčių savybių;
- Pasak anglų mokslininko Paulo Dirako, tai yra begalinė dalelių jūra, kurios energija yra mažesnė nei nulis.
Istoriškai dominuojanti lotyniškoji „vakuumo“ sąvoka kaip „tuštuma“ šiandien nevartojama.
Priešingai, pakito ontologinė jo reikšmė: vietoj „nieko“ (tuščios vietos) – „kažkas“ (sudėtyje yra visų dalykų potencialas). Fizikai mano, kad vakuumas gali sukelti visus išorinio pasaulio reiškinius ir yra pagrindinė visatos esybė. Ir todėl – ne iki galo žinoma.
Kas yra klaidingas vakuumas?
Viena populiariausių hipotezių apie „turinio tuštumos“ prigimtį priklauso amerikiečių fizikai Frankui Wilczekui ir Michaelui Turneriui. Pirmiausia jie iškėlė vadinamojo „klaidingo vakuumo“ teoriją, kuri turi šias savybes:
- Jo energijos lygis yra labai mažas, bet ne lygus nuliui, priešingai nei tikrasis vakuumas;
- Tikriausiai tokia būsena gali susidaryti, kai iš įprastos erdvės pašalinamas maksimalus dalelių skaičius ir energija. Tokia operacija lems kvantinių laukų su vietiniu energijos minimumu atsiradimą;
- Būsenai būdingas nestabilumas dėl „tunelio efekto“, kai elementarios dalelės lengvai apeina potencialo barjerą ir pereina į žemesnės energijos būsenas;
- Įsivaizduojamas vakuumas linkęs virsti tikru. Šio perėjimo matematinį modelį dar aštuntajame dešimtmetyje sukūrė sovietų mokslininkai.
Šis reiškinys laukinėje gamtoje dar nebuvo užregistruotas. Yra tik teorinės prielaidos apie visos Visatos prigimtį, kurios bus aptartos toliau.
egzistencinė grėsmė
Nepakankamos žinios apie esminius kosmologinius klausimus atveria plačias erdves laukinei fizikų vaizduotei. Viena iš dabar populiarių mokslinių „siaubo istorijų“ susijusi su grėsme Visatai, jei pastaroji yra minimalios energijos būsenoje:
- Mokslininkai Ericas Maxas Tegmarkas ir Nickas Bostromas pirmieji pradėjo diskusiją šia tema. 2005 m. „Nature“ jie paskelbė sensacingą straipsnį, kuriame paskelbė, kad po kelių šimtų milijonų metų viskas miršta;
- Toks scenarijus yra labai tikėtinas, jei Visata yra įsivaizduojamame vakuume. Ši būsena sklandžiai pateks į tikrąjį vakuumą, kurį lydės neaiškios, bet mirtinos pasekmės;
- Naujos būsenos gimimą galima apibūdinti kaip kelių naujų atsiradimą viename kosmologiniame burbule;
- Šie burbulai susidurs vienas su kitu, suvienys ir pagimdys naują pasaulį;
- Jei teorija teisinga, burbulas plėsis siaubingu greičiu ir gyvybė Žemėje mirs beveik akimirksniu.
Apokaliptinis siužetas buvo britų rašytojo Alastairo Reynoldso romano „Poseidon Wakes“ (2015) pagrindas.
Mokslinio pasaulio vaizdo reliatyvumas gali išmušti žemę iš po kojų. Be kiekvienam pasauliečiui suprantamos tuštumos sampratos, fizikai iškėlė „beveik tuštumą“, kuri yra be galo artima jai, tačiau vis tiek savyje turi tam tikrą energijos minimumą. Taigi paprastais žodžiais galima apibūdinti klaidingą ir tikrą vakuumą. Norint detaliau susipažinti su reiškiniu, reikalingas gilus techninis išsilavinimas.
Vaizdo įrašas: kodėl netikras vakuumas gali sunaikinti visatą?
Šiame vaizdo įraše fizikas Roberto Stevensas jums pasakys, kaip visata gali išnykti per kelias sekundes:
Jei tu staiga sekite mokslo ir beveik mokslo naujienas, galbūt susidūrėte su kitomis siaubo istorija iš Stepheno Hawkingo. Jis vėl čia grasina visam pasauliui Armagedonu. Tiksliau, Hawkingas, žinoma, nieko panašaus nesakė, jis tik reklamuoja savo naują knygą „Starmus“, kuri pasirodys spalį, o žiniasklaida, kaip įprasta, ima ir skleidžia žinią po pasaulį – „Hawkingas. sakė, kad pasaulyje yra du vakuumai, klaidinga ir tiesa. Netrukus viskas, kas klaidinga, taps tiesa ir viskas bus baigta.
Natūralu, kad tai yra visiška nesąmonė ir neturėtumėte bijoti, Armagedonas atidėtas neribotam laikui. Bet kas yra klaidingas vakuumas ir kodėl neturėtumėte jo bijoti, norėčiau jums pasakyti. Tradiciškai tai padarysiu ant pirštų™.
Idėja, beje, gana sena, o Hawkingas jos nesugalvojo. Mokslo sluoksniuose ji cirkuliuoja nuo praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio. Ir atrodo, kad Hawkingas vis dar rado kitą sudėtingą sprendimą visiškai teorinis sąvokų. Norėdami suprasti, kas yra netikras vakuumas, pirmiausia turite išsiaiškinti, kas yra tikras, tikras vakuumas.
Pagal pačią žodžio „vakuumas“ reikšmę tai atrodo visiška, absoliuti tuštuma. Bet mes turime tuštumą, taip sakant, įvairaus šviežumo laipsnio eikime per kiekvieną.
Pažvelkite į kambarį iš įrašo nuotraukos, paprastai jei kambaryje nėra žmonių, jie sako, kad jis tuščias. Bet juk, be žmonių, patalpoje gali būti aibė įvairiausių daiktų, ant sienų kėdžių, sofų, spintelių, kilimų (o jie turėtų būti ant grindų!) Ir t.t.
Išimsime iš patalpos visus daiktus ir absoliučiai viską - susuksime nuo sienų rozetes, nuplėšime grindjuostes, nuimsime laminatą, išplėšime palanges. Dabar kambarys visiškai tuščias. Bet ar tai vakuumas? Ji pilna oro! Beje, kubinis metras oro jūros lygyje sveria apie kilogramą, o kubinis metras vandens – lygiai toną. Tai reiškia, kad standartiniame 3x5 metrų kambaryje yra šiek tiek mažiau nei 40 kilogramų oro, atsižvelgiant į standartines Chruščiovo lubas.
Bet jie pašalino ir orą, t.y. visos molekulės, visa medžiaga, kuri buvo viduje, dabar turime vakuumą? Ne, laukų dar daug! Jei kambarys šviesus (lemputė, baldos, pamiršo ją išimti!), tai reiškia, kad šviesos fotonai skraido po kambarį pirmyn ir atgal. Jei kas nors pastato „Wi-Fi“ prieigos tašką prie sienos, „Wi-Fi“ taip pat siunčia mums savo elektros bangas į kambarį. Be to, korinis tinklas gaudomas iš artimiausio bokšto, be to, visas kambarys yra persmelktas radijo ir televizijos dažnių, o aš vis dar tyliu, kad supernova sprogo ūke iš Heraklio žvaigždyno ir užtvindė visą mūsų kambarį, bet kas per kambarys, visa Žemė su gama spinduliuote. Iš patalpos pašalinsime visą įmanomą elektromagnetinę spinduliuotę, visiškai ją ekranuosime. Šiaip ar taip, kambarys pilnas CMB (sėkmės jį išgaunant!) ir persmelktas trilijonų neutrinų kiekvienam kubiniam tūrio milimetrui. A-a-a-a!!!
Trumpai tariant, jie įsitempė ir pašalino iš kambario viską, viską, viską, viską, kas buvo įmanoma. Apsaugoti nuo visko ir apsisaugoti nuo neutrinų aplinkui pastatė 2–3 šviesmečių storio švinines sienas. Tik dabar pradėjome artėti prie absoliutaus vakuumo sąvokos. Gamtoje to, žinoma, nebūna. Tačiau toli, toli nuo galaktikų, kosmoso tuštumose galima rasti kažką panašaus, nors vis dar nėra kur pabėgti nuo kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės. Bet net ir ten praslys arba nuklydęs protonas, arba neutrinas, arba pora fotonų iš kokios nors artimiausios galaktikos.
Taigi, mes pašalinome viską, absoliučiai viską, kas įmanoma, iš kambario, gavome visiškai švarų, šviežias, apšalęs vakuumo temperatūra 0 kelvinų (nes nėra materijos, nėra laukų - nėra temperatūros) ir domėjosi, kokia energija yra šios patalpos tūryje. Logiškas atsakymas bus lygiai nulis, o tada iš karto - taip!
Faktas yra tas, kad yra dalykų, kuriuos galime išimti iš patalpos (siurbti), o yra dalykų, kurių negalima iš ten išimti. Iš esmės.
Pirma, tai yra vadinamieji kvantiniai vakuuminiai svyravimai. Ką čia išsamiai aiškinti ilgą laiką, ant pirštų™ galime sakyti, kad net ir absoliučiai tuščiame vakuume kvantiniame lygmenyje nuolat vyksta kažkoks judėjimas. Vakuumas verda kvantiniame lygmenyje, jame gimsta ir be pertrūkių dingsta begalė virtualių dalelių arba iššokant iš Dirako jūros, arba nardant atgal. Neįmanoma apsisaugoti nuo vakuumo svyravimų, tai yra paties vakuumo savybė, jie visada yra.
Antra, atsitiko taip, kad vakuume kažkas išsiliejo tamsioji energija. Tai yra tas, kuris yra atsakingas už pagreitintą galaktikų atstūmimą. Neįsivaizduojame, kokia tai energija, anksčiau galvojome, kad tai vakuuminiai svyravimai, bet paskui paskaičiavome – ne, jų nėra. Ir dar kažkas. „Tamsioji energija“ yra tik pavadinimas. Galbūt visai ne tamsu, galbūt net nėra energijos. Bet tai yra, negali būti. Iš to jis vis tiek laikomas dar viena paties vakuumo savybe, kaip ir vakuumo svyravimai, bet kažkaip kitokia.
Trečia, neseniai atrastas Higgso bozonas. Šio bozono prasmė ta, kad tam tikras Higso laukas tęsiasi visoje Visatoje, kurios kvantinis šis bozonas yra. Šis laukas, vėlgi, yra visur ir visur, nuo jo nepasislėpsi (pagal šiuolaikines mokslines sampratas), vadinasi, net ir pačiame tuščiame vakuume jis visada yra.
Ketvirta, kiti universalūs laukai arba reguliariai tamsus šūdas apie kuriuos vis dar nežinome ir nežinome.
Visa tai byloja, kad net ir labiausiai švaistomame kubiniame metre vakuumo vis dar yra šiek tiek energijos (bent jau minėtųjų suma), t.y. Galima sakyti, nors ir labai perkeltine prasme, kad kubinis metras vakuumo kažką sveria, nes jei jame yra energijos, tai emcekvadratas yra tas pats!
Iš ko šiandien moksle oficialiai priimta absoliučiu vakuumu laikyti ne kažkuo „absoliučiai tuščią“, o tai, kas iš principo turi: mažiausia galima energetinė vertė. Jei nubraižote energijos grafiką, gausite šį vingį:
Iš nuotraukos iškart aiškiai matosi ir suprantami keli dalykai (todėl ir iškėliau).
Mūsų vakuumas yra žemiausiame raudoname grafiko taške, energetinė vertė ten minimali, bet ji nelygi nuliui. Grafikas neliečia nulinės ašies, bet yra šiek tiek virš jos.
Ir tada visos serialo idėjos nubraukiamos į šalį – „kadangi vakuumo energija nelygi nuliui, tai ar įmanoma ją kažkaip įdėti į verslą, tarkime, pastatyti kokią gudrią elektrinę, veikiančią vakuume?“ Akivaizdu, kad tai neįmanoma. Jei įdėsite kamuolį į duobutę, nesvarbu, ką su juo darysite, jis vis tiek grįš į žemiausią tašką. Tie. norint pastatyti kažkokį "variklį ant vakuumo energijos", reikia paimti šią energiją iš vakuumo ir atiduoti varikliui, bet to padaryti neįmanoma, vakuumo energija jau yra pati minimumo.
Dabar pereikime prie klaidingo vakuumo. Kai tik mokslininkai atspėjo nuotrauką, kurią pacitavau aukščiau, iškart kilo įtarimas, o kas, jei tai ne visas vaizdas bet tik dalis? Staiga, jei atsitrauksime du žingsnius nuo jo, turėsime platesnę perspektyvą ir visas vaizdas iš tikrųjų atrodys taip:
Tie. tai, ką mes vadiname savo tikruoju vakuumu, yra tik viena iš duobių (Vakuumas A). Kai tikras, tikras tikras vakuumas yra dar žemiau (Vakuumas B). Gal tame vakuume Higso lauko stiprumas mažesnis, ar mažiau tamsiosios energijos ar pan. Šiuo atveju mūsų Visatoje mes gauname ne tikrą, o klaidingą vakuumą. Na, melas ir melas. Mums nėra didelio skirtumo, galime visą gyvenimą gyventi šiame netikrame vakuume ir nesukti galvos. Ir net nežino, kad jis faktiškai netikras, bet kažkur egzistuoja daug teisingiau.
Tačiau visada yra tikimybė, kad ši dovana staiga staiga baigsis. Gamta visada linkusi į energijos minimumą. Ji pati negali peršokti iš netikro vakuumo į tikrą (iš mažos skylutės į didesnę) jai neleidžiama ir sienos trukdo.
Bet ką daryti, jei „stumti kamuolį stipriau“? O kas, jei pataikytumėte į vakuumą tokia energija, kad jis pašoktų aukštyn ir persikeltų į kito vakuumo būseną, tiesa? Beje, šis irgi gali pasirodyti netikras, šalia kurio jau bus tiesa tiesa, bet mums tai nėra svarbu. Mums svarbu, kad gali nutikti kažkokia nesąmonė, o mūsų vakuumas iš mūsų būsenos peršoks į kitą, „žemesnį“.
Leiskite man pasakyti, kad tai bus dabar labai blogai. Ir visiems ir viskam. Geras negrožinės literatūros straipsnis neapsieina be mažo armagedo pabaigos. Ir tada pasaulio pabaiga ateina visiems ir visiškai. Visų kitų jame esančių dalelių ir laukų savybės priklauso nuo vakuumo savybių. Visi mūsų elektronai ir protonai, iš kurių esame sudaryti, iš karto pakeis savo savybes, turės skirtingus krūvius, sukimus ar kitokią kvailą šūdą. O tai reiškia, kad visi atomai tuoj pat subyrės į gabalus arba išgaruos, arba sunaikins, žvaigždės sprogs arba užges, arba... trumpai tariant, visko gali nutikti, o pagal tikimybių dėsnį būtinai atsitiks kažkas blogo. . Tikimybė, kad viskas liks kaip anksčiau, yra minimali, nes jei tik šiek tiek pakoreguosite kurią nors iš esamos Visatos konstantų, visa jos iš karto sugrius. Žinoma, vietoje jos čia pat statoma kita visata, tačiau mes, kaip gyvi organizmai, susidedantys iš specifinių cheminių molekulių junginių, šiuo pokyčiu nė kiek nesidžiaugsime.
Negaliu atsispirti malonumui aprašyti, kaip viskas bus. Pirma, vienas vakuumo gabalas („dalelė“, „atomas“, jei taip galima sakyti) peršoks iš klaidingos būsenos į tikrą arba bent jau žemesnę. Ir tada jis trauks "už save" visus savo kaimynus. Skaičiavimai ten nėra labai paprasti, bet niūrūs genijai jau paskaičiavo, kad vienas kūrinys to nepadarys – visus temps kartu. Jis tryps kaip vanduo per vamzdelį iš viršutinio indo į apatinį, moksliškai kalbant: gradientas bus nukreiptas į apatinį minimumą. Aplink pradinio šuolio tašką, tiesą sakant, šviesos greičiu kitokios erdvės, kitokio vakuumo rutulys pradės išsipūsti. Viską, prie ko kamuolys paliečia, jis tuoj pat sugeria, virsdamas dulkėmis ir elementariųjų dalelių pora, arba pasidaro sunkus švino ir surakinamas visiško nekilnojamojo turto, arba užsidega milijonu laipsnių ar net visais atomais, visa medžiaga. akimirka virsta upeliu grynas-spindintis energijos ir šviesos greičiu sklinda į visas puses. Čia nebus galima iš anksto pasakyti, kad visko gali būti, bet akivaizdu, kad taip ir nelieka. Kadangi rutulio ribos skrenda beveik šviesos greičiu, iš anksto pamatyti ir įspėti apie katastrofą neįmanoma. Informacija, kad į tave veržiasi mirties kamuolys dar vienas vakuumas sklinda beveik tokiu pat greičiu, kaip ir pats balionas išsipučia. Tu tiesiog gyveni savo gyvenimą, traškydamas prancūzišką duoną, šlamėdamasis komentaruose ar bėgdamas nuo laukinių Mozambiko bičių ir tada – bam! Viskas dingo, įskaitant tave. Tai neskaudės, nebus baisu, tiesiog akimirksniu mūsų pasaulis baigsis ir viskas. Ir banga eis toliau, sugers Kasiopėją, Andromedos ūką, trikampį superspiečius... Tai bus labai nuobodi pasaulio pabaiga, kurios niekas negalės nuspėti, neįspėti ir net pajusti. Pagalvokite, kad visata ką tik išjungė šviesą.
Kaip gali prasidėti toks armogedas? Yra du variantai. Arba kažkas išstums „vakuuminį rutulį“ taip aukštai, kad jis peršoks per barjerą, skiriantį skirtingas vakuumines būsenas. Visi šie skaičiavimai, žinoma, yra tik hipotetiniai. Vaughnas Hawkingas pagimdė, pagimdė ir pagimdė, kad tokiai gudrybei tariamai prireiktų 100 milijardų GeV arba 100 milijonų TeV energijos. Kaip jis tai padarė, niekas nežino. Greičiausiai Hokingas žaidė su pasaulio konstantomis, kažką kažkur padalino, padaugino, paėmė šaknį ir davė atsakymą. Na, pavyzdžiui, su tokia energija turėtų gimti koks nors gudrus Higso bozonas, kuris iš įprasto Higso lauko sukurs kitą Higso lauką, turintį kitokias charakteristikas. Ir tai reiškia skirtingą vakuuminės energijos tankį, o tada viskas vyksta pagal scenarijų, kurį aprašiau aukščiau.
Varo Hokingą ar ne – niekas nežino. Jis ten kažką paskaičiavo ir mums pateikė rezultatą. Visa žiniasklaida iškart trimitavo – „Hawkingas išpranašavo pasaulio pabaigą, ji numatyta kitą penktadienį!“ Kažkas jau įvertino tokioms energijoms pasiekti reikalingo greitintuvo dydį, jis turi būti daug didesnis nei Žemės planeta. Bet štai kas.
Pamenate, prieš paleidžiant LHC pasaulyje kilo isterija (žinoma, spaudoje daugiau), kad nuo susidūrimų prie greitintuvo susidarys baisi juodoji skylė, kuri mus visus suvalgys? Susidūrimo energija LHC, jei nežinote, galite pažiūrėti Vikipediją - 14 TeV (14x10 12 elektronų voltų). O vadinamieji „kosminiai spinduliai“ periodiškai krenta į Žemę tiesiai ant galvos iš viršaus, kuriuose kai kurios dalelės pasiekia milijonus kartų didesnę energiją nei tokia energija. Iš kur šios dalelės atsiranda, nežinoma. Dar blogiau, kad jų iš viso neturėtų būti. Yra vadinamoji GZK riba (Greisen-Zatsepin-Kuzmin riba, pagal ją atradusių mokslininkų pavardes). Jis sako, kad dalelė, kurios energija didesnė nei 50 EeV (eksaelektronvoltas, 5x10 19), negali skristi į Žemę. Visos dalelės, turinčios didesnę energiją, turi tiesiogine prasme "sulėtinti foninę spinduliuotę" ir nepasiekia žemės. Bet gi, jie skrenda ir su daug didesne energija. Tai vis dar neatskleista mokslo paslaptis, kur jie atsiranda ir kaip mus pasiekia, taigi ir to paties pavadinimo paradoksas.
Taigi, šios dalelės egzistuoja, jos skrenda pas mus ir išskiria daug aukštesnius energijos kiekius, nei apgailėtini žmonės net gali įsivaizduoti su visais savo LHC ir sinchrofasotronais. Ir nieko, nesusidaro juodosios skylės, Visata nemiršta. Taigi jaudintis dėl to dar anksti, greičiausiai neturėtume bijoti jokio gudraus bozono.
Tačiau yra ir kitas vakuuminio šokinėjimo iš klaidingos būsenos į tikrąją variantas. Spontaniškas. Nepriklauso nuo nieko, nuo jokių dalelių, energijų ir susidūrimų. Grynai dėl kvantinės mechanikos dėsnių. Šioje mechanikoje yra vadinamasis tunelio efektas, kai kokia nors dalelė gali visiškai atsitiktinai „peršokti per potencialų kalną“ ir atsidurti už jo, tiesiogine prasme – kaip tunelis per ir tiesiai. Šiuo atveju tai nėra kažkoks juokingas teorijos įvykis, įdomus tik gudrios formulės popieriuje forma. Visi mes šiuo metu naudojame šį efektą savo elektronikoje, pavyzdžiui, kompiuteryje ar planšetiniame kompiuteryje, su kuriuo skaitote dabartinį įrašą, taip pat tikriausiai yra tunelinis diodas, tranzistorius ar kita sudėtinga mikroschema, kuri tiesiogiai tai naudoja. kvantinis mechaninis poveikis savo (t.e. mūsų) tiesioginei naudai.
Taigi situacijoje su netikru vakuumu gali atsitikti taip, kad koks niekšelis jį ims ir be jokios priežasties peršoks per kalną. Ir vilkite su juo likusią visatą. Tokios baigties tikimybė yra labai labai maža (apskritai kvantinėje mechanikoje visko gali nutikti, bet kiekvienu konkrečiu atveju su tam tikra tikimybe). Čia rizika paprastai yra neapskaičiuojamai maža, tokio įvykio tikimybės nulių skaičius po kablelio netilps jokioje galaktikoje, net jei jie spausdinami smulkiu šriftu tiesiai vakuume. Tačiau visata taip pat yra gana didelė (galbūt begalinė). Kas žino, gal kažkur jau įvyko šis pereinamasis šuolis, ir kita Visata juda į mus su šnypščiančiu Nemezio kardu šviesos greičiu, su naujas, patobulintas(bet, deja, ne mums) pagal fizikos dėsnius.
Kita vertus, jei ši rutulys atsirado už milijardo šviesmečių, jums nereikia jaudintis. Liks milijardas (arba penkeri ar dešimt, kas žino) metų. Per šį laiką tikrai įvyks daug daugiau įdomių ir mirtinų įvykių bei kataklizmų, žmonių civilizacija turės galimybę sunaikinti šimtą kartų daugiau – ar verta bijoti šimto pirmojo, be to, akimirksniu ir neskausmingai?
