Существует большая разница между понятиями «ложный вакуум» и «истинный вакуум». Вот почему мы не хотим жить в прежнем.
Ключевые выводы
- Вакуум определяется как нулевая энергия пустого пространства: сколько энергии на единицу объема остается после удаления всех физических квантов.
- Это значение могло быть равно нулю, но не является им: оно имеет положительное, отличное от нуля значение.
- Если мы живем в ложном, а не истинном вакууме, вакуум может распасться с катастрофическими последствиями для Вселенной.
Одна из величайших экзистенциальных проблем, которая терзает умы физиков-теоретиков, заключается в том, что космический вакуум может быть не в своем истинном вакуумном состоянии, а вместо этого может находиться в ложном вакууме. Если бы вы удалили все, что только можно вообразить, из большой области космоса, в том числе:
- иметь значение,
- излучение,
- нейтрино,
- внешние электрические и магнитные поля,
- и любые гравитационные источники или искривление пространства-времени,
у вас останется чисто пустое пространство, или максимально приближенное к физическому определению «ничего». Вы могли бы ожидать, что если бы вы нарисовали воображаемую рамку вокруг этой области «ничего» и измерили общее количество энергии внутри, вы бы обнаружили, что оно равно нулю. Но это не то, что мы находим; мы обнаруживаем, что на самом деле существует положительное, ненулевое количество энергии, присущее самому пространству, даже если мы удалим все идентифицируемые квантовые и классические источники материи и энергии. Что это означает для природы квантового вакуума и, в частности, для различия между «истинным вакуумом» и «ложным вакуумом»? Вот что хочет знать Эрик Марс, спрашивая:
“Не могли бы вы объяснить, что означают ложный вакуум и истинный вакуум, и как это влияет на существование Вселенной”.
Это отличный вопрос, и он требует, чтобы мы начали с идеи - особенно для физики - нуля.
Эта иллюстрация художника показывает, как может выглядеть пенистая структура пространства-времени, показывая крошечные пузырьки в квадриллионы раз меньше, чем ядро атома, которые постоянно колеблются и существуют лишь бесконечно малые доли секунды. Вместо того, чтобы быть гладким, непрерывным и однородным на квантовом уровне, пространство-время имеет присущие ему флуктуации, которые, вероятно, соответствуют ненулевой нулевой энергии.
В математике ноль - это просто число, обозначающее отсутствие положительной или отрицательной суммы какой-либо величины. Однако в физике есть другой способ определить ноль: нулевая энергия системы или минимально возможное энергетическое состояние, которого она может достичь, оставаясь при этом той же самой системой, о которой мы изначально говорили. Для любой физической системы, которую мы можем придумать, будет по крайней мере одна конфигурация для этой системы, которая имеет наименьшее общее количество энергии в ней. Для любой физической системы, которую вы можете себе представить, всегда существует по крайней мере одна конфигурация с наименьшей энергией.
- Если у вас есть набор масс, изолированных от остальной части Вселенной, самая низкоэнергетическая конфигурация - это черная дыра.
- Для протона и электрона конфигурацией с наименьшей энергией является атом водорода в основном (n=1) состоянии.
- А для самой Вселенной это совершенно пустое пространство в отсутствие каких-либо внутренних или внешних полей или источников.
Эта конфигурация с наименьшей энергией известна как энергия нулевой точки системы. Это имело бы смысл - и для многих из нас мы бы просто интуитивно поняли, что это так, - если бы энергия нулевой точки любой системы была определена как ноль. Но это не совсем то, как это работает.
На иллюстрации этого художника показан электрон, вращающийся вокруг атомного ядра, где электрон является фундаментальной частицей, но ядро можно разбить на еще более мелкие, более фундаментальные составляющие. Самый простой атом из всех, водород, представляет собой электрон и протон, связанные вместе. Но конфигурация с самой низкой энергией, какую только можно себе представить, когда электрон неподвижно сидит в центре протона, никогда не возникает.
Возьмем, к примеру, атом водорода: один электрон вращается вокруг одного протона. Если вы мыслите классически, вы можете себе представить, что электрон может вращаться вокруг этого протона на любом радиусе, от большого до маленького. Точно так же, как планета может вращаться вокруг звезды на любом расстоянии, основываясь на их взаимных массах и относительных скоростях, вы могли бы подумать, что отрицательно заряженный электрон может вращаться вокруг положительно заряженного протона на любом расстоянии, основываясь просто на скорости орбиты и баланс кинетической и потенциальной энергии.
Но при этом игнорируется чрезвычайно важное свойство природы: тот факт, что Вселенная фундаментально квантово-механическая, и что единственные допустимые уровни энергии для электрона, вращающегося вокруг протона, квантованы. В результате существует минимально возможное энергетическое состояние, которое может иметь физическая система, подобная этой, и которое не соответствует электрону, находящемуся в покое непосредственно над протоном (то есть самое низкое вообразимое энергетическое состояние). Вместо этого существует физически допустимое состояние с наименьшей энергией, которое соответствует электрону, вращающемуся вокруг протона в энергетическом состоянии n=1.
Даже если вы охладите свою систему до абсолютного нуля, в вашей системе все равно останется конечная, ненулевая энергия.
Электронные переходы в атоме водорода, наряду с длинами волн образующихся фотонов, демонстрируют эффект энергии связи и отношения между электроном и протоном в квантовой физике. Наинизшее энергетическое состояние водорода соответствует состоянию n=1: основному состоянию с конечным, положительным, ненулевым количеством энергии.
Эта идея нулевой энергии любой квантово-механической системы восходит к Максу Планку в 1911 году и была распространена на поля Эйнштейном и его сотрудником Отто Штерном (тот самый Штерн который сформулировал печально известный эксперимент Штерна-Герлаха), и статью, которую они написали еще в 1913 году. гравитации и квантовой теории поля, описывающей три другие фундаментальные силы.
Идея нулевой точки энергии в ткани самого пространства проявляется как в общей теории относительности, так и в квантовой теории поля, но проявляется совершенно по-разному. В общей теории относительности кривизна пространства определяет будущее движение материи и энергии во Вселенной, а наличие, распределение и движение материи и энергии, в свою очередь, определяет кривизну пространства. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время сообщает материи и энергии, как двигаться.
Почти.
Почему это только «почти» верно? Потому что, как помнит любой, кто когда-либо вычислял неопределенный интеграл (из исчисления), вы можете добавить к своему ответу константу: ужасный «плюс с».
В общей теории относительности наличие материи и энергии определяет кривизну пространства. В квантовой гравитации будут вклады теории квантового поля, которые приведут к тому же чистому эффекту. В дополнение к искривленному пространству вы можете добавить постоянную: космологическую постоянную в общей теории относительности, которая соответствует сумме всех петлевых диаграмм для вакуума в квантовой теории поля. Возможно, вклады квантовой гравитации в энергию нулевой точки пространства ответственны за темную энергию, которую мы наблюдаем сегодня в нашей Вселенной, но это лишь одна из многих реальных возможностей.
В Общей теории относительности эта постоянная играет роль космологической постоянной, и она может принимать любое положительное или отрицательное значение, которое нам нравится. Когда Эйнштейн хотел сконструировать статическую Вселенную, он добавил положительную константу, чтобы его игрушечная модель Вселенной, в которой массы равномерно распределены бесконечно по всему пространству, не разрушилась; космологическая постоянная противодействовала бы гравитационному притяжению. У этой константы не было причин иметь то положительное, ненулевое значение, которое он ей присвоил. Он просто утверждал, что так и должно быть, иначе Вселенная не могла бы быть статична. С открытием расширяющейся Вселенной необходимость в константе отпала, и от нее отказались более чем на 60 лет.
С другой стороны, существует и квантовая теория поля. Квантовая теория поля побуждает вас представить себе все способы взаимодействия частиц друг с другом, в том числе через создание/аннигиляцию пар частица-античастица в качестве промежуточных шагов, радиационные поправки и любые другие наборы взаимодействий, не запрещенные законами. квантовой физики. Однако затем он делает еще один шаг, который большинство людей может не заметить. В нем говорится, что в дополнение к этим взаимодействующим полям в присутствии материи и энергии существуют «вакуумные» вклады, которые представляют, как ведут себя квантовые поля в вакууме пространства, где вообще нет частиц.
Визуализация расчета квантовой теории поля, показывающая виртуальные частицы в квантовом вакууме (в частности, для сильных взаимодействий). Даже в пустом пространстве эта энергия вакуума отлична от нуля, и то, что кажется «основным состоянием» в одной области искривленного пространства, будет выглядеть иначе с точки зрения наблюдателя, где пространственная кривизна отличается. Пока существуют квантовые поля, эта энергия вакуума (или космологическая постоянная) тоже должна присутствовать.
Теперь все становится неудобным: мы также не знаем, как рассчитать энергию нулевой точки пространства с помощью этих методов квантовой теории поля. Каждый отдельный канал, который мы знаем, как рассчитать, может внести свой вклад в эту энергию нулевой точки, и способ, которым мы находим индивидуальный вклад, заключается в вычислении того, что мы называем его вакуумным средним значением. Проблема в том, что каждый такой канал имеет огромное вакуумное математическое ожидание: более чем на 100 порядков больше, чем это возможно. Некоторые каналы имеют положительный вклад, а другие - отрицательный.
Не имея возможности произвести осмысленные вычисления, мы сделали невежественное предположение: все вклады сокращаются, суммируясь с нулем, и что нулевая энергия пространства на самом деле будет равна точно равно нулю.
Затем, в 1990-х, что-то снова изменилось. Наблюдения за Вселенной начали указывать на то, что есть что-то, вызывающее ускорение расширения Вселенной, и что эта «вещь», чем бы она ни была, согласовывалась не с какой-либо формой материи или излучения, а скорее с положительным, ненулевым количеством энергию нулевой точки в ткань самого пространства. Мы только что измерили значение вакуумной энергии, присущей пространству, и оно было очень мало, но, что очень важно, больше нуля.
Все ожидаемые судьбы Вселенной (три верхние иллюстрации) соответствуют Вселенной, в которой материя и энергия совместно борются с начальной скоростью расширения. В наблюдаемой нами Вселенной космическое ускорение вызвано каким-то типом темной энергии, который до сих пор остается необъяснимым. Все эти Вселенные управляются уравнениями Фридмана, которые связывают расширение Вселенной с различными типами материи и энергии, присутствующими в ней.
Это вызвало множество вопросов.
- Была ли эта форма энергии - которую мы сейчас называем темной энергией - космологической постоянной или нет? (Ответ - да, по крайней мере, с той точностью, с которой мы можем его измерить.)
- Оставалось ли оно постоянным во времени, усиливалось или ослаблялось? (Ответ: это согласуется с совершенной константой.)
- Можем ли мы когда-нибудь надеяться вычислить его, основываясь на том, что мы знаем о квантовой теории поля? (Ответ: мы не знаем, но, возможно, сегодня мы не ближе, чем 20 с лишним лет назад.)
- И, что беспокоит, является ли энергия нулевой точки, которую мы наблюдаем, истинным космическим вакуумом или это просто ложный вакуум? (Мы не знаем.)
Зачем нам беспокоиться о последнем? Потому что самое важное свойство космического вакуума не в том, каково точное значение энергии нулевой точки; скорее, для стабильности нашей Вселенной жизненно важно, чтобы космический вакуум имел нулевую энергию, которая не меняется. И точно так же, как атом водорода в любом возбужденном состоянии будет иметь возможность перехода в состояние с более низкой энергией на пути вниз к нулевому состоянию, Вселенная в ложном вакууме останется способной перейти в истинный вакуум (или состояние с более низкой энергией, но все же ложный вакуум).
Если вы извлечете какой-либо потенциал, он будет иметь профиль, в котором по крайней мере одна точка соответствует состоянию с наименьшей энергией или «истинному вакууму». Если в какой-либо точке есть ложный минимум, это можно считать ложным вакуумом, и всегда будет возможно, предполагая, что это квантовое поле, квантовое туннелирование из ложного вакуума в состояние истинного вакуума.
Вы можете думать об этом так же, как если бы вы подумали о том, чтобы запустить мяч на вершине горы и позволить ему катиться вниз - и вниз, и вниз, и еще раз вниз - пока он, наконец, не остановится.. Если ваш горный склон гладкий, вы можете себе представить, что легко скатитесь в самую нижнюю часть долины под горой, где она и осядет. Это настоящее состояние вакуума: состояние с самой низкой энергией, в котором физически невозможно перейти в состояние с более низкой энергией. В настоящем вакууме вы уже настолько низко, насколько можете.
Но если ваш горный склон скалистый, с ямами, канавами, магнатами и ледниковыми озерами, вы можете себе представить, что ваш мяч может остановиться где-то еще, кроме самой низкой точки. Любое другое место, где он может оставаться в течение неопределенного периода времени, является не истинным минимумом, а скорее ложным. Если мы говорим о вакуумном состоянии Вселенной, это означает, что все, кроме самого низкого возможного состояния, является состоянием ложного вакуума.
Учитывая положительное, ненулевое значение космологической постоянной в нашей Вселенной, вполне возможно, что мы живем в состоянии ложного вакуума, а истинный вакуум, каким бы он ни был, существует при какое-то другое, менее энергетическое состояние.
Эта общая иллюстрация квантового туннелирования предполагает наличие высокого, тонкого, но конечного барьера, отделяющего квантовую волновую функцию по одну сторону оси x от другой. В то время как большая часть волновой функции и, следовательно, вероятность поля/частицы, которую она представляет, отражается и остается на исходной стороне, существует конечная, ненулевая вероятность туннелирования на другую сторону барьера.
Теперь это может быть и не так; мы можем находиться в состоянии истинного вакуума. Если это так, то нет возможности перейти в более низкое энергетическое состояние, и здесь мы останемся до конца существования нашей Вселенной.
Но что, если мы живем в состоянии ложного вакуума? Что ж, в квантовой Вселенной, независимо от того, насколько велико расстояние между ложным и истинным минимумом, насколько высок барьер, разделяющий ложный и истинный минимум, или как быстро или медленно распространяется квантово-механическая волновая функция, описывающая ваше состояние, существует всегда конечная, больше нуля вероятность квантового туннелирования из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией.
Это обычно называют вакуумной катастрофой, потому что, если мы проведем квантовый туннель в более низкое энергетическое состояние, у нас нет оснований полагать, что законы и/или константы, управляющие Вселенной, останутся неизменными.. Где бы ни происходил этот вакуумный распад, такие вещи, как атомы, планеты, звезды и, да, люди, будут уничтожены. Этот «пузырь разрушения» будет распространяться наружу со скоростью света, а это значит, что если он возникнет прямо сейчас где-нибудь в пределах 18 миллиардов световых лет от нас, мы в конце концов будем им уничтожены. Об этом даже могут свидетельствовать наши лучшие измерения свойств элементарных частиц, которые указывают на то, что электрослабое взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий в природе, может быть по своей природе метастабильным.
Основываясь на массах топ-кварка и бозона Хиггса, мы могли бы жить в области, где квантовый вакуум стабилен (истинный вакуум), метастабилен (ложный вакуум) или нестабилен (где не может стабильно оставаться). Свидетельства предполагают, но не доказывают, что мы находимся в области ложного вакуума.
Это мрачная мысль, особенно потому, что мы никогда не увидим, как она придет. Однажды мы просто проснемся от этой волны разрушения, обрушившейся на нас со скоростью света, и тогда мы все исчезнем. В некотором смысле это самый безболезненный путь, который мы можем себе представить, но он также и один из самых печальных. Наше космическое наследие - всего, что когда-либо было, есть или будет - мгновенно подошло бы к концу. Вся работа, которую проделала космическая эволюция за 13,8 миллиардов лет, чтобы создать Вселенную, изобилующую ингредиентами для жизни, и, возможно, бесчисленные ее реализации, будет навсегда уничтожена.
И тем не менее, возможно, нечто подобное уже произошло: с окончанием космической инфляции и началом горячего Большого Взрыва. Переход от предположительно очень, очень высокого энергетического вакуумного состояния к гораздо более низкоэнергетическому, хотя и принципиально отличного от квантового туннелирования типа перехода, положил конец инфляции и наполнил нашу Вселенную материей и излучением примерно 13.8 миллиардов лет назад. Тем не менее возможность того, что мы живем в ложном вакууме, должна напоминать нам о том, насколько мимолетно и хрупко, и зависит от стабильности законов физики все в нашей Вселенной. Если бы мы жили в состоянии ложного вакуума, а могли бы, каждый момент существования мог бы стать для нас последним.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!