Фундаментальные значения понятия «ничто» в науке

1 010

Вселенная, какой мы ее видим сегодня, несомненно, полна всего. Все, что мы видим, чувствуем и с чем взаимодействуем, состоит из субатомных частиц на самом фундаментальном уровне, и они собирались в большие структуры — людей, планеты, звезды, галактики и скопления галактик — на протяжении истории Вселенной. Все они подчиняются одним и тем же законам физики и существуют в контексте одного и того же пространства-времени, которое занимает все сущее.

Все то, что мы видим и переживаем во Вселенной сегодня, существует лишь ограниченное количество времени. Во Вселенной не всегда были галактики, звезды или атомы, и поэтому они должны были возникнуть в какой-то момент. Но откуда они взялись? Хотя очевидным ответом может показаться из «чего-то», это не обязательно верно; они могут возникнуть из ничего. Что означает “ничто” для ученых в этом контексте? В зависимости от того, кого вы спросите, вы можете получить один из четырех разных ответов. Вот что все они означают.

1 Состояние, при котором исходных ингредиентов для создания «чего-то» не существовало. Не может быть галактик, звезд, планет или людей без частиц, необходимых для их создания. Все, о чем мы знаем и с чем взаимодействуем, состоит из субатомных частиц; это исходные ингредиенты, из которых построена наша Вселенная, какой мы ее знаем.

Если начать со Вселенной, заполненной материей, мы поймем, как она может расширяться, охлаждаться и притягиваться, чтобы прийти к Вселенной, какой мы ее знаем сегодня. Мы знаем, как звезды живут и умирают, что приводит к образованию тяжелых элементов, которые позволяют создавать звезды малой массы, скалистые планеты, органические молекулы и, в конечном счете, возможность жизни. Но как вышло, что мы получили Вселенную, заполненную материей, вместо Вселенной с равным количеством вещества и антивещества? Это первое научное значение получения чего-то из ничего.

После аннигиляции пар кварк/антикварк оставшиеся частицы материи связываются в протоны и нейтроны на фоне нейтрино, антинейтрино, фотонов и пар электрон/позитрон
После аннигиляции пар кварк/антикварк оставшиеся частицы материи связываются в протоны и нейтроны на фоне нейтрино, антинейтрино, фотонов и пар электрон/позитрон. Нужен избыток электронов над позитронами, чтобы точно соответствовать количеству протонов во Вселенной, сохраняя ее электрически нейтральной. Как возникла эта асимметрия материи и антиматерии — большой вопрос современной физики, на который пока нет ответа.

Это также одна из самых больших загадок в физике: если законы физики таковы, что можно создавать материю и антивещество только в равных количествах, как мы получили Вселенную, где каждая структура, которую мы видим, состоит из материи, а не из антивещества? Известно, что каждая планета, звезда и галактика, которые мы когда-либо видели, состоят из материи, а не из антивещества. Так как же тогда получился избыток этих необходимых ингредиентов, если Вселенная не родилась с ними?

Это то, что имеется в виду, когда вы слышите, что материя в нашей Вселенной возникла из ничего. Происхождение асимметрии материи и антиматерии — загадки, известной в физическом сообществе как бариогенез, — является одной из величайших нерешенных проблем в современной физике. Было предложено много идей и механизмов, которые теоретически правдоподобны, но мы пока не знаем ответа. Мы не знаем, почему есть что-то (больше материи, чем антивещества) вместо ничего (в равных количествах) вообще.

2 Ничто — это пустота пустого пространства. Возможно, вы предпочитаете определение ничто, которое буквально не содержит в себе «никаких вещей» вообще. Если вы будете следовать этой линии мышления, то первое определение неадекватно: оно явно содержит «что-то». Чтобы достичь «ничто», придется избавиться от каждой фундаментальной составляющей материи. Каждый квант излучения должен уйти. Каждая частица и античастица, от призрачного нейтрино до любой темной материи, должна быть удалена.

Если бы мы могли каким—то образом удалить их все — все до единого, — мы могли бы гарантировать, что единственное, что осталось, — это само пустое пространство. Без частиц или античастиц, без материи или излучения, без идентифицируемых квантов любого типа в нашей Вселенной все, что у нас осталось бы, — это пустота самого пустого пространства. Для некоторых это истинное научное определение «ничто».

Визуализация расчета квантовой теории поля, показывающая виртуальные частицы в квантовом вакууме
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.

Но некоторые физические объекты все еще остаются, даже при таком крайне ограничительном сценарии. Законы физики все еще действуют, а это значит, что квантовые поля все еще пронизывают Вселенную. Они включают в себя электромагнитное поле, гравитационное поле, поле Хиггса и поля, возникающие в результате ядерных взаимодействий. Пространство-время все еще существует, управляемое Общей теорией относительности. Все фундаментальные константы по-прежнему на месте, все с теми же значениями, которые мы наблюдаем у них.

И, возможно, самое главное, энергия нулевой точки пространства все еще существует, и она по-прежнему имеет свое текущее, положительное, ненулевое значение. Сегодня это проявляется как темная энергия; до Большого взрыва это проявлялось в форме космической инфляции, конец которой дал начало всей Вселенной. Вот откуда взялась фраза «Вселенная из ничего». Даже без материи или излучения любого типа эта форма «ничто» все равно ведет к созданию Вселенной.

Представление плоского пустого пространства без материи, энергии или кривизны любого типа
Представление плоского пустого пространства без материи, энергии или кривизны любого типа. Если это пространство имеет наименьшую возможную энергию нулевой точки, дальнейшее его уменьшение будет невозможно.

3 Ничто как идеальное состояние с наименьшей энергией, возможное для пространства-времени. Прямо сейчас наша Вселенная обладает энергией нулевой точки, или энергией, присущей самому пространству, которая имеет положительное, отличное от нуля значение. Мы не знаем, является ли это истинным “основным состоянием” Вселенной, то есть самым низким энергетическим состоянием из возможных, или мы все еще можем опуститься ниже.

Вполне возможно, что мы находимся в состоянии ложного вакуума, и что истинный вакуум, или истинное состояние с наименьшей энергией, будет либо ближе к нулю, либо на самом деле может полностью опуститься до нуля (или ниже).

Скалярное поле φ в ложном вакууме
Скалярное поле φ в ложном вакууме. Обратите внимание, что энергия E выше, чем в истинном вакууме или в основном состоянии, но существует барьер, препятствующий классическому скатыванию поля к истинному вакууму. Обратите также внимание на то, что состояние с наименьшей энергией (истинный вакуум) может иметь конечное, положительное, ненулевое значение. Известно, что энергия нулевой точки многих квантовых систем больше нуля.

Переход туда из нашего нынешнего состояния, вероятно, привел бы к катастрофе, которая навсегда изменила бы Вселенную: сценарий, известный как распад вакуума. Это привело бы ко многим неприятным вещам для нашего существования. Фотон стал бы массивной частицей, электромагнитная сила распространялась бы только на короткие расстояния, и практически весь солнечный свет, излучаемый нашей звездой, не смог бы попасть на Землю.

Но с точки зрения представления этого как состояния истинного небытия, это, возможно, идеальный сценарий, который все еще сохраняет законы физики нетронутыми (хотя некоторые правила были бы другими.) Если бы мы смогли достичь истинного основного состояния Вселенной — как бы это состояние ни выглядело — и убрали из Вселенной всю материю, энергию, излучение, искривление пространства-времени и т.д., у нас осталась бы конечная идея «физического небытия».

У нас, по крайней мере, все еще была бы сцена для игры во Вселенной, но там не было бы игроков. В нашей пьесе не было бы ни актерского состава, ни сценария, ни декораций, но огромная бездна физического небытия все равно предоставляет вам сцену. Космический вакуум был бы на своем абсолютном минимуме, и не было бы никакого способа извлечь из него работу, энергию или какие-либо реальные частицы (или античастицы). И все же для некоторых это все еще имеет привкус “чего-то”, потому что пространство, время и правила все еще действуют.

4 Ничто возникает только тогда, когда вы удаляете всю Вселенную и законы, которые ею управляют. Это самый экстремальный случай из всех: случай, который выходит за рамки реальности — из пространства, времени и самой физики — чтобы представить платоновский идеал небытия. Мы можем представить себе удаление всего, что мы можем себе представить: пространства, времени и управляющих правил реальности. У физиков здесь нет определения для ничего; это чистое философское ничто.

В контексте физики это создает проблему: мы не можем найти никакого смысла в такого рода небытии. Мы были бы вынуждены предположить, что существует такая вещь, как состояние, которое может существовать вне пространства и времени, и что само пространство-время, а также правила, которые управляют всеми известными нам физическими объектами, могут затем возникнуть из этого гипотетического, идеализированного состояния.

К сожалению, мы понятия не имеем, имеет ли этот ход мыслей какой-либо физический смысл. Возможно, это просто упражнение в нашей способности воображать вещи за пределами нашей собственной реальности, без какой-либо связи с чем-либо, что может существовать на самом деле. Когда мы начинаем размышлять в этом направлении, сразу возникает ряд вопросов, на которые нет окончательных ответов. Они включают в себя:

  • Как пространство-время возникает в определенном месте или мгновении, когда нет таких понятий, как «пространство» (для местоположения) или «время» (для мгновения)?
  • Можем ли мы действительно представить, что что-то находится «вне» Вселенной, если у нас нет пространства, или «имеет начало», если у нас нет времени?
  • Откуда могли бы возникнуть правила, управляющие частицами и их взаимодействиями?

Это окончательное определение ничто, хотя оно, безусловно, кажется наиболее удовлетворительным с философской точки зрения, может вообще не иметь смысла. Это может быть просто логическая конструкция, основанная на нашей неадекватной человеческой интуиции.

Каждое из четырех определений по-своему верно, но самое важное — это понимание того, что имеет в виду говорящий, когда говорит о своей конкретной форме небытия. Каждое определение имеет свой собственный объем и диапазон применимости к широкому кругу конкретных физических проблем, от происхождения материи до темной энергии, космической инфляции и энергии нулевой точки самого пространства. Но у этих концепций есть и недостаток: все они являются конструктами нашего собственного разума. Все, о чем мы знаем, определенно возникло из ничего. Главное — понять, как.

Источник Bigthink
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии