Теория струн в поисках абсолютного Ничто

Аристотель утверждал, что природа не приемлет пустоты. Иначе предметы будут летать в пространстве с неимоверной скоростью. В 1277 году французский епископ Этьен Темпье отметил, что Бог может сделать все, что угодно, даже пустоту (vacuum).

И это удалось сделать простому ученому. Отто фон Герике изобрел воздушный насос из полого медного шара, и с его помощью достиг, возможно, первого высококачественного вакуума на Земле. На театрализованной демонстрации он показал, что даже две упряжки лошадей не способны разорвать небольшой шар, если в нем «ничего нет».

С тех пор вакуум стал основополагающим понятием в физике, фундаментом любой теории о чем-то. Вакуум фон Герике - это простое отсутствие воздуха.

Электромагнитный вакуум - это отсутствие среды, которая может замедлять свет.

А гравитационный вакуум - отсутствие материи или энергии, способной искривлять пространство и время.

В каждом отдельном случае конкретная разновидность ничто зависит от того, какого рода нечто физики в состоянии описать.

"Иногда это способ определения теории", - говорит Патрик Дрейпер, физик-теоретик из Университета Иллинойса.

По мере того, как современные физики искали более сложные кандидатуры для окончательной теории природы, они сталкивались с растущим множеством типов Ничто. И каждый раз «ничто» имеет свое собственное «поведение», как будто это разные фазы вещества.

Все чаще кажется, что ключом к пониманию происхождения и судьбы Вселенной может стать тщательный учет разрастающихся разновидностей отсутствия.

"Мы узнаем, что о «ничто» можно узнать гораздо больше, чем мы думали, - говорит Изабель Гарсия Гарсия, исследователь из Института теоретической физики имени Кавли в Калифорнии. - Сколько еще мы упускаем?"

До сих пор исследования в этой области приводили к драматическому выводу: Наша Вселенная, возможно, стоит на платформе некачественной конструкции, "метастабильном" вакууме, который обречен - в далеком будущем - превратиться в другое нечто, уничтожив все в процессе трансформации.

Классический вакуум - это скучно

Ничто стало казаться чем-то осязаемым в 20 веке, когда физики посмотрели на реальность как совокупность полей: объектов, заполняющих пространство с определенным значением в каждой точке (электрическое поле, например, говорит вам, какую силу будет испытывать электрон в разных локациях).

В классической физике значение поля может быть везде равно нулю, так что оно не оказывает никакого влияния и не содержит энергии.

"Классически вакуум - это скучно, - поясняет Дэниел Харлоу, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. - Ничего не происходит".

Но физики узнали, что поля Вселенной являются квантовыми, а не классическими, то есть они неопределенны. Вы никогда не сможете поймать квантовое поле с абсолютно нулевой энергией. Харлоу сравнивает квантовое поле с массивом маятников - по одному в каждой точке пространства, - углы которых представляют собой конкретные значения поля. Каждый маятник висит почти прямо, но колеблется в обычном режиме.

Если оставить квантовое поле в покое, оно будет пребывать в синэргии с минимальной энергией, известной как "истинный вакуум" или "основное состояние". (Элементарные частицы являются пульсациями в этих полях).

"Когда мы говорим о вакууме системы, мы имеем в виду в некотором смысле предпочтительное состояние системы", - уточняет Гарсия Гарсия.

Большинство квантовых полей, заполняющих нашу Вселенную, имеют одно, и только одно, предпочтительное состояние, где они пребывавют вечно. Но не все и не всегда.

Поле Хигса и квантовое Ничто

В 1970-х годах физики оценили значение другого класса квантовых полей, чьи значения в среднем приближены к нулю. Такое "скалярное поле" похоже на набор маятников, зависших, скажем, под углом 10 градусов. Подобная конфигурация может быть основным состоянием: маятники предпочитают оставаться стабильными.

загрузка...

В 2012 году экспериментаторы на Большом адронном коллайдере доказали, что скалярное поле, наподобие поля Хиггса, пронизывает всю Вселенную. Сначала, в горячей, ранней Вселенной, его маятники были направлены вниз. Но когда космос остыл, поле Хиггса изменило свое состояние, подобно тому, как вода превращается в лед, и все маятники перешли в новое состояние, угол увеличился. (Ненулевое значение Хиггса означает приобретение элементарными частицами своей массы).

Когда вокруг господствуют скалярные поля, стабильность вакуума не обязательно абсолютна. Маятники поля могут существовать между полустабильными углами, переходя от одной конфигурации к другой.

Однако теоретики не уверены, что поле Хиггса обрело свою конфигурацию - истинный вакуум. Некоторые утверждают, что нынешнее состояние поля, несмотря на то, что существует уже 13,8 миллиарда лет, является лишь временно стабильным, или "метастабильным".

Если это так, то хорошие времена не будут длиться вечно. В 1980-х годах физики Сидни Коулман и Фрэнк Де Лучиа описали, как распадается ложный вакуум скалярного поля. В любой момент, если достаточное количество маятников переместится под более выгодным углом, они потянут за собой соседей, и пузырь вселенной вылетит наружу с почти световой скоростью. По ходу движения произойдет перезапись законов физики, привычные атомы и молекулы разрушатся. (Не паникуйте. Даже если наш вакуум изначально метастабилен, он, вероятно, просуществует еще миллиарды лет).

В потенциальной изменчивости поля Хиггса физики выявили первый из практически бесконечного числа способов присутствия небытия.

Теория струн

По мере того как физики пытались увязать подтвержденные законы природы в более широкие представления, они сотворили теории природы с дополнительными полями и другими ингредиентами.

Когда поля накапливаются, они взаимодействуют, влияя на маятники друг друга и создавая новые взаимные конфигурации. Получается множество «вакуумов», размещенных на "энергетическом ландшафте". Различные углы наклона соответствуют различным количествам энергии, или высотам на энергетическом ландшафте, а поля стремятся снизить свою энергию так же, как камень катится вниз. Проблема в том, что камень может остановиться - на время, во всяком случае, - в более высокой долине.

Пару десятилетий назад ландшафт взорвался масштабами. Физики Джозеф Полчински и Рафаэль Буссо изучали некоторые аспекты теории струн, ведущей математической основы для описания квантовой гравитации.

Теория струн оперирует около 10 измерениями, дополнительные свернуты в формы, слишком незначительные для обнаружения. В 2000 году Полчински и Буссо рассчитали, что такие дополнительные измерения могут складываться огромным количеством способов. Каждый способ сворачивания образует отдельный вакуум со своими физическими законами.

Таким образом, теория струн допускает почти бесчисленное количество вакуумов, что, в принципе, подтверждает другое открытие, сделанное двумя десятилетиями ранее.

В начале 1980-х годов ученые разработали гипотезу космической инфляции, которая стала ведущей теорией рождения Вселенной. Она предполагает, что Вселенная началась с быстрой вспышки экспоненциального расширения, объясняющей плавность и огромность Вселенной. Но за успехи инфляции приходится платить.

Исследователи обнаружили, что если космическая инфляция запустилась, она продолжится вне зависимости от времени. Большая часть вакуума будет вечно взрываться. Только ограниченные области пространства перестанут раздуваться, превратившись в пузыри относительной стабильности, отделенные друг от друга раздувающейся пустотой между ними. Так появляются другие вселенные.

Мультивселенная вакуумов

Некоторых обывателей беспокоит мысль о том, что мы живем в мультивселенной - бесконечном ландшафте вакуумных пузырей. Из-за этого физическая природа любого вакуума (например, нашего) кажется случайной и непредсказуемой, что ограничивает нашу способность познавать Вселенную.

Полчински, который умер в 2018 году, рассказывал физику Сабине Хоссенфельдер, что открытие ландшафта вакуумов в теории струн сделало его настолько несчастным, что заставило обратиться к психотерапевту.

Но если теория струн предсказывает все мыслимые разновидности ничто, предрекала ли она нечто?

Для других множество вакуумов не является проблемой; "на самом деле, это достоинство", - уверен Андрей Линде, выдающийся космолог из Стэнфордского университета и один из разработчиков теории космической инфляции.

А все потому, что мультивселенная потенциально решает великую загадку: сверхнизкую энергию нашего конкретного вакуума.

Когда теоретики наивно оценивают коллективное дрожание всех квантовых полей Вселенной, энергия оказывается огромной - ее достаточно, чтобы ускорить расширение пространства и, в короткие сроки, разорвать космос на части.

Однако наблюдаемое ускорение пространства крайне незначительно, чтобы говорить о том, что большая часть коллективного дрожания нивелируется, и наш вакуум имеет чрезвычайно низкое положительное значение для своей энергии.

В одиночной вселенной крошечная энергия одинокого вакуума выглядит глубокой загадкой. Однако в мультивселенной это просто глупая удача. Если разные пузырьки пространства обладают разной энергией и расширяются с разной скоростью, то галактики и планеты образуются только в самых вялых пузырьках. Наш спокойный вакуум не более загадочен, чем орбита планеты: мы оказались здесь потому, что почти все остальные места негостеприимны для жизни.

Нравится нам это или нет, но у гипотезы мультивселенной в ее нынешнем понимании есть проблема. Несмотря на кажущееся бесконечным меню вакуумов в теории струн, до сих пор никто не нашел конкретного сложения крошечных дополнительных измерений. Вакуум с отрицательной энергией более предпочтителен.

Возможно, теория струн не соответствует действительности, или ее недостаток заключается в незрелом понимании гипотезы. Возможно, физики не нашли правильного способа обращения с положительной энергией вакуума в рамках теории.

"Это вполне возможно", - говорит Натан Сейберг, исследователь Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси.

Или же наш вакуум нестабилен по своей природе.

"Преобладает мнение, что [положительно заряженное] пространство не стабильно, - поясняет Сейберг. - Оно может распадаться на что-то другое, так что это может быть одной из причин, почему так трудно понять его физику".

Исследователи подозревают, что наш вакуум не является предпочтительным состоянием реальности, и когда-нибудь он переместится в более глубокую, более стабильную «долину».

При этом наш вакуум потеряет поле, порождающее электроны, или обреьеь новую палитру частиц. Плотно сложенные измерения развернуться. Либо вакуум откажет себе в существовании.

Вот тогда и возникнет настоящее, реальное Ничто.

Смерть вакуума

В 1982 году физик Эдвард Виттен обнаружил некий "пузырь из ничего". Изучая вакуум с одним дополнительным измерением, он предположил, что квантовые флуктуации неизбежно меняют дополнительное измерение, иногда сжимая круг до точки.

Когда измерение исчезает в небытие, оно забирает с собой все остальное. Нестабильность порождает быстро расширяющийся пузырь без внутренней части, его зеркальная поверхность знаменует конец пространства-времени.

Эта нестабильность давно мучает теорию струн, были придуманы различные ингредиенты, чтобы сделать их более жесткими.

В декабре Гарсия Гарсия вместе с Дрейпером и Бенджамином Лиллардом из Иллинойса рассчитала время жизни вакуума с одним дополнительным свернутым измерением. Ученые рассмотрели различные варианты стабилизации, но обнаружили, что большинство механизмов не в состоянии остановить пузырьки.

Выводы физиков совпали с выводами Виттена: когда размер дополнительного измерения падает ниже определенного порога, вакуум схлопывался. Аналогичный расчет - с распространением на более сложные модели - мог бы исключить вакуум с размерами ниже этого порога.

Однако при достаточно большом скрытом измерении вакуум существует в течение многих миллиардов лет. Это означает, что теории, описывающие пузыри из ничего, правдоподобно соответствуют нашей Вселенной.

Если это так, то Аристотель, возможно, был более прав, чем он думал. Природа не в восторге от вакуума. Она предпочитает Ничто.

Дата: 16 августа 2022

Автор: Чарли Вуд