Filozofowie dyskutowali o naturze „nicości”, „niczego”, „niczego”, „pustki” od tysięcy lat, ale co może na ten temat powiedzieć współczesna nauka? Odpowiedzi na to pytanie udzieli Martin Rees, astronom z Royal Society i profesor emerytowany kosmologii i astrofizyki na Uniwersytecie w Cambridge. Wyjaśnia, że kiedy fizycy omawiają „nic”, mają na myśli pustą przestrzeń (próżnię). Może się to wydawać dość zwyczajne, ale eksperymenty pokazują, że pusta przestrzeń nie jest tak naprawdę pusta - zawiera tajemniczą energię, która może nam coś powiedzieć o losach wszechświata.
Wywiad z Martinem Reesem przedstawiony przez magazyn The Conversation.
Czy pusta przestrzeń to to samo co nic?
Pusta przestrzeń wydaje się nam niczym. Analogicznie, woda może wydawać się rybom „niczym” - jest to woda, która pozostaje po usunięciu wszystkiego, co unosi się w morzu. Podobnie pusta przestrzeń okazuje się w praktyce dość trudna.
Wiemy, że wszechświat jest bardzo pusty. Średnia gęstość kosmosu to około jeden atom na każde dziesięć metrów sześciennych - środowisko jest znacznie bardziej rozrzedzone niż jakakolwiek próżnia, jaką możemy uzyskać na Ziemi. Ale nawet po usunięciu całej materii przestrzeń ma pewien rodzaj elastyczności, który (jak ostatnio potwierdzono) pozwala na propagację fal grawitacyjnych - zmarszczek samej przestrzeni. Ponadto dowiedzieliśmy się, że w samej pustej przestrzeni istnieje egzotyczna forma energii.
Po raz pierwszy dowiedzieliśmy się o tej energii próżni w XX wieku wraz z pojawieniem się mechaniki kwantowej, która wyjaśnia zachowanie atomów i cząstek w najmniejszej skali. Wynika z tego, że pusta przestrzeń składa się z pola fluktuacji energii tła - które ożywia fale i wirtualne cząsteczki, pojawiające się i znikające od czasu do czasu. Mogą nawet stworzyć niewielką siłę. A co z białą przestrzenią na dużą skalę?
Fakt, że pusta przestrzeń tworzy siłę na dużą skalę, został odkryty 20 lat temu. Astronomowie odkryli, że rozszerzanie się wszechświata przyspiesza. To była niespodzianka. Ekspansja była znana od ponad 50 lat, ale wszyscy myśleli, że ekspansja spowolni z powodu przyciągania grawitacyjnego, które galaktyki i inne struktury wywierają na siebie nawzajem. Dlatego dla wszystkich było dużym zaskoczeniem, że spowolnienie spowodowane grawitacją zostało zrównoważone przez coś, co „popchnęło” ekspansję. Okazało się, że w samej pustej przestrzeni jest energia, która tworzy rodzaj odpychania, który przeważa nad przyciąganiem grawitacji w tych dużych skalach. To zjawisko - ciemna energia - jest najbardziej niesamowitym przejawem tego, że pusta przestrzeń nie jest pomarszczona ani pusta. Ponadto,fakt ten determinuje dalsze losy naszego Wszechświata.
Film promocyjny:
Czy istnieją ograniczenia tego, czego możemy się nauczyć? W skali biliona bilionów razy mniejszych od atomu fluktuacje kwantowe w czasoprzestrzeni mogą rodzić nie tylko wirtualne cząstki, ale także wirtualne czarne dziury. Jest to w granicach, których nie możemy zaobserwować i zrozumieć, a które, przynajmniej hipotetyczne, musimy połączyć teorię grawitacji z mechaniką kwantową - a to jest niezwykle trudne.
Aby to zrozumieć, istnieje kilka teorii, z których najbardziej znana jest teoria strun. Ale żadna z tych teorii nie jest jeszcze związana ze światem rzeczywistym - więc nadal są bezpodstawne. Myślę, że prawie każdy rozpozna, że sama przestrzeń ma złożoną strukturę w niewielkiej skali, w której spotykają się efekty grawitacyjne i kwantowe.
Wiemy, że nasz wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne: możesz poruszać się w lewo i w prawo, do przodu i do tyłu, w górę iw dół. Czas jest jak czwarty wymiar. Istnieje jednak silne podejrzenie, że jeśli powiększysz maleńki punkt w przestrzeni, aż poczujesz tę małą skalę, zobaczysz, że będzie to gęsto skompresowane origami o pięciu dodatkowych wymiarach, których nie możemy zobaczyć. Jakbyś patrzył na wąż z daleka i myślał, że to tylko linia. Zbliżając się, zobaczysz, że jeden wymiar to zasadniczo trzy. Teoria strun obejmuje złożoną matematykę - podobnie jak konkurencyjne teorie. Ale to jest dokładnie ta teoria, której potrzebujemy, jeśli chcemy zrozumieć na najgłębszym poziomie najbliższą pustce, jaką można sobie wyobrazić: oczywiście pustą przestrzeń.
W naszym obecnym rozumieniu, jak możemy wyjaśnić, że cały nasz wszechświat rozszerza się z niczego? Czy naprawdę mogło się to zacząć od niewielkiej fluktuacji energii próżni?
Niektóre tajemnicze przejścia lub fluktuacje mogą nagle doprowadzić do tego, że część przestrzeni zaczęła się rozszerzać, jak uważają niektórzy teoretycy. Fluktuacje nieodłącznie związane z teorią kwantową mogłyby wstrząsnąć całym wszechświatem, gdyby był skompresowany do wystarczająco małych skal. Powinno to nastąpić za około 10 (do -44) sekund - to czas Plancka. W tych skalach czas i przestrzeń są ze sobą splecione, więc idea tykającego zegara nie ma sensu. Możemy ekstrapolować nasz Wszechświat z dużym stopniem pewności z powrotem do nanosekund iz dużym prawdopodobieństwem powrócimy bliżej czasu Plancka. Ale potem nasze przypuszczenia nie są już aktualne - fizykę w tej skali zastępuje inna, bardziej złożona teoria.
Jeśli to możliwe, że fluktuacja w jakiejś przypadkowej części pustej przestrzeni dała życie wszechświatowi, dlaczego to samo nie może przydarzyć się innej części pustej przestrzeni - i dać życie równoległym wszechświatom w nieskończonym multiwersie?
Pomysł, że nasz Wielki Wybuch nie jest jedynym, i że to, co widzimy przez nasze teleskopy jest maleńkim fragmentem fizycznej rzeczywistości, jest dość popularny wśród fizyków. Istnieje wiele wersji cyklicznego wszechświata. Zaledwie 50 lat temu pojawiły się mocne dowody na to, że Wielki Wybuch w ogóle się wydarzył. Ale od tego czasu pojawiły się spekulacje, że mógł być tylko epizodem w cyklicznym wszechświecie. Istnieje również tendencja do zrozumienia, że rzeczywistość fizyczna to znacznie więcej niż objętość przestrzeni i czasu, którą możemy poczuć, nawet przy pomocy najpotężniejszych teleskopów.
Dlatego nie mamy pojęcia, czy był jeden Wielki Wybuch, czy było ich wiele - są scenariusze, które przewidują wiele Wielkich Wybuchów i scenariusze, które przewidują jeden. Myślę, że powinniśmy przestudiować je wszystkie.
Jaki jest koniec wszechświata?
Najprostsza prognoza na odległą przyszłość jest taka, że wszechświat będzie się coraz szybciej rozszerzał, stając się zimniejszy i bardziej pusty. Cząsteczki w nim mogą się rozpadać, rozpuszczając się bez końca w pustce. Możemy znaleźć się w ogromnej przestrzeni, ale będzie ona jeszcze bardziej pusta niż jest teraz. To jeden ze scenariuszy. Są inni, którzy przewidują „odwrócenie” kierunku ciemnej energii, od odpychania do przyciągania, w wyniku czego zostaniemy ściśnięci do gęstego punktu.
Jest też pomysł Rogera Penrose'a, że wszechświat będzie nadal się rozszerzał, stawał się coraz bardziej rozrzedzony, ale jakoś - kiedy nie ma w nim nic oprócz fotonów, cząstek światła - obiekty w nim zostaną ponownie skalibrowane, a przestrzeń stanie się w pewien sposób generatorem nowego Wielkiego Wybuchu. … To będzie bardzo egzotyczna wersja starego cyklicznego wszechświata - ale proszę, nie proś mnie o wyjaśnienie pomysłów Penrose'a.
Jak bardzo jesteś pewien, że nauka pewnego dnia odkryje tajemnicę tego „nic”? Nawet gdybyśmy mogli udowodnić, że wszechświat wyłonił się z dziwnej fluktuacji w polu próżni, czy nie powinniśmy się zastanawiać, skąd pochodzi to pole próżniowe?
Nauka stara się udzielać odpowiedzi, ale za każdym razem, gdy je znajdujemy, pojawiają się nowe pytania - nigdy nie będziemy mieli pełnego obrazu. Kiedy pod koniec lat sześćdziesiątych zacząłem prowadzić badania, były wątpliwości, czy w ogóle istnieje Wielki Wybuch. Teraz nie ma już żadnych wątpliwości i możemy powiedzieć z dokładnością do około 2%, że wszechświat był taki sam przez 13,8 miliarda lat, aż do pierwszej nanosekundy. To wielki postęp. To absurdalnie optymistyczne przekonanie, że w ciągu najbliższych 50 lat rozwiążemy trudne pytania o to, co dzieje się w epoce kwantowej lub „inflacyjnej”.
Ale oczywiście pojawia się inne pytanie: ile nauki będzie zrozumiałe dla ludzkiego mózgu? Może być tak, że matematyka teorii strun jest w pewnym sensie poprawnym opisem rzeczywistości, ale nigdy nie możemy jej zrozumieć na tyle dobrze, aby przetestować ją w porównaniu z jakąkolwiek prawdziwą obserwacją. Wtedy być może będziemy musieli poczekać, aż pojawią się post-ludzie, aby uzyskać pełniejsze zrozumienie.
Ilya Khel