Fałszywa próżnia na palcach™. Fałszywa próżnia Czym jest prawdziwa próżnia

Jeśli ty nagleśledząc wiadomości naukowe i pseudonaukowe, być może trafiłeś na inne horror Stephena Hawkinga. Tam ponownie grozi całemu światu Armagedonem. Dokładniej, Hawking oczywiście nic takiego nie powiedział, po prostu promuje swoją nową książkę Starmus, która ukaże się w październiku, a media jak zwykle podchwytują i rozpowszechniają tę wiadomość na całym świecie - „Hawking powiedział, że na świecie są dwie próżnie, fałszywa i prawdziwa.” „Wkrótce wszystko fałszywe stanie się prawdą i wszystko się skończy”.

Oczywiście jest to kompletna bzdura i nie ma się czego bać, Armagedon jest odkładany na czas nieokreślony. Chciałbym jednak powiedzieć, czym jest fałszywa próżnia i dlaczego nie należy się jej bać. Tradycyjnie tak zrobię na palcach™.

Swoją drogą pomysł jest dość stary i Hawking na niego nie wpadł. Krąży w kręgach naukowych od lat 70-tych ubiegłego wieku. Wygląda na to, że Hawking znalazł na razie inne sprytne rozwiązanie tego problemu całkowicie teoretycznie koncepcje. Aby zrozumieć o co chodzi fałszywa próżnia, najpierw musisz dowiedzieć się, czym jest prawdziwa, prawdziwa próżnia.

Już w samym znaczeniu słowa „próżnia” wydaje się być całkowitą, absolutną pustką. Ale mamy, że tak powiem, pustkę, różnym stopniu świeżości, przejrzyjmy każdy z nich.

Spójrz na pokój ze zdjęcia w poście, zazwyczaj jeśli w pokoju nie ma ludzi, mówi się, że jest pusty. Ale oprócz ludzi w pokoju może znajdować się wiele różnych przedmiotów, krzesła, sofy, szafki, dywany na ścianach (ale powinny być na podłodze!) i tak dalej.

Usuniemy z pokoju wszystkie przedmioty i absolutnie wszystko - wykręcimy gniazdka ze ścian, wyrwiemy listwy przypodłogowe, usuniemy laminat, podciągniemy parapety. Teraz pokój jest zupełnie pusty. Ale czy to próżnia? Jest pełna powietrza! Nawiasem mówiąc, metr sześcienny powietrza na poziomie morza waży około kilograma, a metr sześcienny wody waży dokładnie tonę. Oznacza to, że w standardowym pomieszczeniu o wymiarach 3 x 5 metrów znajduje się nieco mniej niż 40 kilogramów powietrza, biorąc pod uwagę standardowe sufity Chruszczowa.

Ale usunęli też powietrze, tj. wszystkie cząsteczki, cała substancja, która była w środku, teraz mamy próżnię? Nie, jest tam jeszcze mnóstwo pól! Jeśli w pomieszczeniu jest światło (kowal, zapomniałeś odłożyć żarówkę!), wówczas fotony światła latają tam i z powrotem po pomieszczeniu. Jeśli ktoś zainstalował punkt dostępowy Wi-Fi obok ściany, Wi-Fi również wysyła swoje fale elektryczne do pomieszczenia. Plus sieć komórkowa jest odbierana z najbliższej wieży, plus cały pokój jest przesiąknięty częstotliwościami radiowymi i telewizyjnymi, a ja nadal milczę, że w mgławicy z gwiazdozbioru Herkulesa wybuchła supernowa i zalała cały nasz pokój, a jaki pokój jest cała Ziemia z promieniowaniem gamma. Usuniemy z pomieszczenia całe możliwe promieniowanie elektromagnetyczne i całkowicie je osłonimy. Mimo to pomieszczenie jest pełne kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (powodzenia w usuwaniu go!) i przebijane jest przez biliony neutrin na każdy milimetr sześcienny objętości. A-a-a-a!!!

Krótko mówiąc, napięliśmy się i usunęliśmy z pokoju wszystko, wszystko, wszystko, co się dało. Odgrodzili ją od wszystkiego i aby chronić ją przed neutrinami, zbudowali dookoła ołowiane ściany o grubości 2-3 lat świetlnych. Dopiero teraz zaczęliśmy zbliżać się do koncepcji próżni absolutnej. To oczywiście nie występuje w przyrodzie. Ale daleko, daleko od galaktyk, w kosmicznych pustkach, można znaleźć coś podobnego, chociaż nadal nie ma ucieczki przed kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła. Ale nawet tam prześlizgnie się zabłąkany proton, potem neutrino, a na koniec wleci kilka fotonów z jakiejś pobliskiej galaktyki.

Więc usunęliśmy z pokoju wszystko, absolutnie wszystko, co się dało, mamy absolutną czystość, świeży, mroźny temperatura próżni 0 kelwinów (bo nie ma materii, nie ma pól - nie ma temperatury) i zastanawiałem się, jaka okazała się energia zawarta w objętości tego pomieszczenia. Logiczną odpowiedzią byłoby dokładnie zero, a potem natychmiast... Tak!

Faktem jest, że są rzeczy, które możemy usunąć z pokoju (odkurzanie), ale są rzeczy, których nie da się stamtąd usunąć. Zasadniczo.

Po pierwsze, są to tak zwane kwantowe fluktuacje próżni. Szczegółowe wyjaśnienie, o co w tym chodzi, zajęłoby dużo czasu, na palcach™ możemy powiedzieć, że nawet w absolutnie pustej próżni na poziomie kwantowym stale zachodzi jakiś ruch. Próżnia wrze na poziomie kwantowym, rodzą się w niej niezliczone wirtualne cząstki i znikają bez przerwy, wyskakując z morza Diraca lub nurkując z powrotem. Nie da się uchronić przed wahaniami próżni, jest to właściwość samej próżni, one zawsze tam są.

Po drugie, tak się złożyło, że w próżni ktoś się rozlał ciemna energia. To właśnie on odpowiada za przyspieszone odpychanie galaktyk. Nie mamy pojęcia, co to za energia, myśleliśmy, że to fluktuacje próżni, ale potem obliczyliśmy – nie, to nieprawda. I coś innego. „Ciemna energia” to tylko nazwa. Może wcale nie jest ciemno, może nawet nie ma energii. Ale istnieje, nie może nie istnieć. Dlatego jest to po prostu uważane za kolejną właściwość samej próżni, podobną do wahań próżni, ale w jakiś sposób inną.

Po trzecie, niedawno odkryty bozon Higgsa. Znaczenie tego bozonu jest takie, że po całym Wszechświecie rozciąga się pewne pole Higgsa, którego kwantem jest ten bozon. To pole znowu jest wszędzie i wszędzie, nie można się przed nim ukryć (zgodnie ze współczesnymi koncepcjami naukowymi), co oznacza, że nawet w najbardziej pustej próżni jest koniecznie obecne.

Po czwarte, inni pola uniwersalne lub regularne ciemne gówno, o którym wciąż nawet nie wiemy i nie wiemy.

Wszystko to mówi nam, że nawet najbardziej pusty metr sześcienny próżni nadal zawiera pewną energię (przynajmniej sumę tych już wymienionych), tj. możemy to powiedzieć, choć bardzo w przenośni metr sześcienny próżni coś waży, bo jeśli ma energię, to jest emcekwadratem!

Dlaczego dzisiaj w nauce oficjalnie przyjmuje się, że absolutna próżnia nie jest czymś „absolutnie pustym”, ale czymś, co w zasadzie ma minimalna możliwa wartość energetyczna. Jeśli narysujesz wykres energii, otrzymasz zawijas:

Na zdjęciu kilka rzeczy jest od razu wyraźnie widocznych i zrozumiałych (dlatego o tym wspomniałem).

Nasza próżnia znajduje się w najniższym czerwonym punkcie wykresu, wartość energii jest tam minimalna, ale nie wynosi zero. Wykres nie dotyka osi zerowej, ale znajduje się nieco powyżej niej.

I natychmiast wszystkie pomysły z serii zostają odrzucone na bok - „skoro energia próżni nie jest równa zero, czy można ją w jakiś sposób wdrożyć, powiedzmy, zbudować jakąś przebiegłą elektrownię zasilaną próżnią?” To oczywiste, że jest to niemożliwe. Jeśli włożysz piłkę do dołka, niezależnie od tego, co z nią zrobisz, i tak powróci ona do najniższego punktu. Te. żeby zbudować jakiś „silnik wykorzystujący energię próżni”, trzeba tę energię pobrać z próżni i przekazać silnikowi, ale to jest niemożliwe, energia próżni jest minimalna.

Przejdźmy teraz do fałszywej próżni. Gdy tylko naukowcy odgadli obraz, który podałem powyżej, natychmiast pojawiło się podejrzenie: co jeśli to nie cały obraz, ale tylko część? Nagle, jeśli odejdziemy od tego na dwa kroki, otworzy się szersza perspektywa i pełny obraz będzie faktycznie wyglądał tak:

Te. to, co nazywamy naszą prawdziwą próżnią, to tylko jeden z zagłębień (próżnia A). Kiedy prawdziwa, prawdziwa próżnia jest jeszcze niższa (Próżnia B). Może w tej próżni natężenie pola Higgsa jest mniejsze, albo jest mniej ciemnej energii, albo coś innego. W tym przypadku to, co mamy w naszym Wszechświecie, nie jest prawdziwą, ale fałszywą próżnią. No cóż, kłamstwo i fałsz. Dla nas nie ma dużej różnicy, możemy przeżyć całe życie w tej fałszywej próżni i nie przejmować się tym. I nawet nie wiem, że on W rzeczywistości fałszywe, ale gdzieś istnieje o wiele bardziej prawdziwe.

Ale zawsze istnieje ryzyko, że ten darmowy prezent nagle się skończy. Natura zawsze dąży do minimum energii. Nie potrafi samodzielnie przeskoczyć z fałszywej próżni do prawdziwej (z małej dziury do większej), ściany jej na to nie pozwalają i przeszkadzają.

A co jeśli „mocniej popchniesz piłkę”? A co jeśli uderzysz w próżnię z taką energią, że podskoczy i popadnie w stan innej próżni, bardziej prawdziwej? Nawiasem mówiąc, ten również może okazać się fałszywy, obok którego już będzie leżał PRAWDA to prawda, ale dla nas to nie jest ważne. Ważne jest dla nas, aby wydarzyła się jakaś bzdura, a nasza próżnia przeskoczyła z naszego stanu do sąsiedniego, „niższego”.

Od razu ci powiem, tak będzie bardzo źle. I wszystkim i wszystkim. Dobry artykuł non-fiction nie byłby kompletny bez małego Armageddonu na końcu. A potem nadchodzi koniec świata i to totalny. Właściwości wszystkich innych cząstek i pól w nim znajdujących się zależą od właściwości próżni. Wszystkie nasze elektrony i protony, z których jesteśmy zbudowani, natychmiast zmienią swoje właściwości, będą miały inny ładunek, albo jakiś rodzaj spinu, albo jakiś inny szalony badziew. A to oznacza, że wszystkie atomy natychmiast rozpadną się na kawałki, wyparują lub unicestwią, gwiazdy eksplodują lub zgasną, albo… krótko mówiąc, wszystko może się zdarzyć i zgodnie z prawem prawdopodobieństwa, na pewno wydarzy się coś złego zdarzyć. Szansa, że wszystko pozostanie tak jak wcześniej, jest minimalna, ponieważ jeśli tylko nieznacznie poprawisz którąkolwiek ze stałych istniejącego Wszechświata, wszystko natychmiast się zawali. Jest oczywiście tak, że na jego miejscu budowany jest inny Wszechświat, ale dla nas, jako żywych organizmów składających się z określonych związków cząsteczek chemicznych, ta zmiana wcale nie będzie radosna.

Nie mogę się oprzeć przyjemności opisania, jak to wszystko się wydarzy. Najpierw jedna część („cząstka”, „atom”, że tak powiem) próżni przeskoczy ze stanu fałszywego do stanu prawdziwego lub przynajmniej niższego. I natychmiast pociągnie za sobą wszystkich swoich sąsiadów. Obliczenia nie są tam zbyt proste, ale ponurzy geniusze już obliczyli, że jeden kawałek nie przejdzie - wszystkich pociągnie za sobą w dół. Będzie płynąć jak woda rurką z górnego naczynia do dolnego, mówiąc naukowo: gradient będzie skierowany w stronę dolnego minimum. Mniej więcej w momencie początkowego skoku kula innej przestrzeni, innej próżni, faktycznie zacznie się nadmuchać z prędkością światła. Wszystko, czego piłka dotknie, natychmiast pochłania, zamieniając się w pył i parę cząstek elementarnych, albo staje się ciężkie od ołowiu i całkowicie zamarza, albo zapala się przy milionie stopni, albo nawet wszystkie atomy, wszelka materia natychmiast zamienia się w strumień czysto-promienna energię i rozprasza się we wszystkich kierunkach z prędkością światła. Tutaj nie da się z góry powiedzieć, wszystko może się zdarzyć, ale oczywiście nie pozostaje takie samo. Ponieważ granice kuli rozchodzą się niemal z prędkością światła, nie da się zobaczyć z wyprzedzeniem i ostrzec o katastrofie. Informacja, że w Twoją stronę pędzi śmiercionośna kula kolejna próżnia rozprzestrzenia się z niemal taką samą prędkością, jak sam balon. Po prostu żyjesz, chrupiesz bułkę francuską, srasz w komentarzach lub uciekasz przed dzikimi pszczołami Mozambiku i wtedy – bam! Wszystko wokół zniknęło, łącznie z tobą. To nie będzie bolało, nie będzie straszne, po prostu za chwilę nasz świat się skończy i tyle. A fala pójdzie dalej, pochłonie Kasjopeję, mgławicę Andromedy, supergromadę trójkątną... To będzie bardzo nudny koniec świata, którego nikt nie będzie w stanie przewidzieć, ostrzec, ani nawet odczuć. Weź pod uwagę, że światła we Wszechświecie po prostu zgasły.

Od czego może zacząć taki Armogedyjczyk? Istnieją dwie opcje. Albo coś wypchnie „kulę próżniową” tak wysoko, że przeskoczy barierę oddzielającą różne stany próżni. Wszystkie obliczenia są oczywiście czysto hipotetyczne. Vaughn Hawking rodził, rodził i rodził, że taka sztuczka rzekomo wymagałaby energii rzędu 100 miliardów GeV lub 100 milionów TeV. Jak tego dokonał – nikt nie wie. Najprawdopodobniej Hawking bawił się stałymi świata, podzielił coś gdzieś, pomnożył, wziął pierwiastek i dał odpowiedź. Otóż przy takiej energii powinien urodzić się jakiś przebiegły bozon Higgsa, który ze zwykłego pola Higgsa utworzy kolejne pole Higgsa, o innej charakterystyce. A to oznacza inną gęstość energii próżni i wtedy wszystko przebiega według scenariusza, który opisałem powyżej.

Nikt nie wie, czy Hawking prześladuje, czy nie. Zrobił kilka obliczeń i podał nam wynik. Wszystkie media natychmiast roztrąbiły: „Hawking przepowiedział koniec świata, zaplanowano go na przyszły piątek!” Ktoś już oszacował wielkość zderzacza potrzebnego do osiągnięcia takich energii; powinien być znacznie większy od planety Ziemia. Ale o to chodzi.

Pamiętacie, że przed startem LHC na świecie panowała histeria (więcej oczywiście w prasie), że zderzenia przy zderzaczu stworzą straszliwą czarną dziurę, która pożre nas wszystkich? Jeśli nie znasz energii zderzenia LHC, możesz sprawdzić ją w Wikipedii – 14 TeV (14x10 12 elektronowoltów). A tak zwane „promienie kosmiczne” okresowo padają na Ziemię bezpośrednio nad naszymi głowami, w których niektóre cząsteczki osiągają energie miliony razy wyższe od tych energii. Nie wiadomo skąd pochodzą te cząstki. Co gorsza, w ogóle nie powinny istnieć. Istnieje tzw. granica GZK (granica Greisena-Zatsepina-Kuzmina od nazwisk naukowców, którzy ją odkryli). Mówi, że cząstka o energii wyższej niż 50 EeV (eksaelektronowolt, 5x10 19) nie może dotrzeć do Ziemi. Wszystkie cząstki o wyższej energii muszą dosłownie „spowolnij kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła” i nie dotrzeć do Ziemi. Ale daj spokój, latają i mają znacznie wyższe energie. To wciąż nierozwiązana zagadka nauki, skąd się biorą i jak do nas docierają, stąd paradoks o tej samej nazwie.

Zatem te cząstki istnieją, lecą do nas i uwalniają znacznie większe porządki energii, niż żałośni ludzie mogą sobie nawet wyobrazić ze wszystkimi swoimi zbiornikami i synchrofastronami. I nic, nie powstają żadne czarne dziury, Wszechświat nie umiera. Jest więc zbyt wcześnie, aby się tym martwić; najprawdopodobniej nie powinniśmy się bać żadnego przebiegłego bozonu.

Istnieje jednak inna możliwość przeskoczenia próżni ze stanu fałszywego do stanu prawdziwego. Spontaniczny. Nie zależy od niczego, od żadnych cząstek, energii czy zderzeń. Czysto ze względu na prawa mechaniki kwantowej. W mechanice tej występuje tak zwany efekt tunelowy, kiedy jakaś cząstka może całkowicie przypadkowo „przeskoczyć potencjalną górę” i znaleźć się za nią, w dosłownym tego słowa znaczeniu - jak przejście przez tunel poprzez i bezpośrednio. W tym przypadku nie jest to jakiś zabawny incydent teoretyczny, interesujący jedynie w formie przebiegłej formuły na papierze. Wszyscy używamy teraz tego efektu w naszej elektronice, przykładowo w komputerze lub tablecie, z którym czytasz bieżący post, prawdopodobnie znajduje się tam również dioda tunelowa, tranzystor lub jakiś inny podstępny mikroukład, który bezpośrednio wykorzystuje ten efekt mechaniki kwantowej dla jego (tj. naszej) bezpośredniej korzyści.

Czyli w sytuacji fałszywej próżni może się zdarzyć, że jakiś drań bez powodu przeskoczy górę. I pociągnie za sobą resztę wszechświata. Szanse na taki wynik są bardzo, bardzo małe (w mechanice kwantowej w zasadzie wszystko może się zdarzyć, ale z pewnym prawdopodobieństwem w każdym konkretnym przypadku). Ryzyko tutaj jest na ogół nieobliczalnie małe; liczba zer po przecinku w prawdopodobieństwie takiego zdarzenia nie zmieściłaby się w żadnej galaktyce, nawet gdyby została wydrukowana drobnym drukiem bezpośrednio w próżni. Jednak Wszechświat jest również dość duży (być może nieskończony). Kto wie, może gdzieś ten przeskok przejściowy już nastąpił i inny Wszechświat zmierza w naszą stronę z płonącym mieczem Nemezisa z prędkością światła, z nowy, ulepszony(ale, niestety, nie dla nas) przez prawa fizyki.

Z drugiej strony, jeśli ta kula powstała miliard lat świetlnych stąd, nie ma powodu się martwić. Pozostało miliard (albo pięć, albo dziesięć, kto wie) lat. W tym czasie z pewnością wydarzy się jeszcze wiele ciekawych i śmiercionośnych wydarzeń i kataklizmów, cywilizacja ludzka będzie miała szansę zostać zniszczona sto razy częściej – czy warto bać się 101., która również jest błyskawiczna i bezbolesna?

Bardzo często, mówiąc o przestrzeni, ludzie wyobrażają sobie obraz, w którym ciała niebieskie „wiszą” w pewnym środowisku, które w różnym czasie, w zależności od koncepcji naukowych na danym etapie wiedzy, nazywano eterem, pustką lub próżnią. W XXI wieku naukowcy dzielą to środowisko kosmiczne na typy i podtypy: próżnię absolutną, próżnię techniczną, próżnię fizyczną, kosmiczną oraz całą grupę próżni fałszywej.

Ogólnie rzecz biorąc, czym jest próżnia? Dlaczego jest ich tak wiele i jak je rozróżnić? Prosta definicja próżni również wydaje się łatwa do zrozumienia: „Próżnia to środowisko o niskim ciśnieniu, bardzo różniące się od ciśnienia atmosferycznego”. Sekret kryje się w słowie „silny”. Inżynierowie i naukowcy natychmiast przejdą do liczb. Zatem ciśnienie substancji w środowisku próżniowym (na ściankach naczynia, z którego wypompowywano powietrze) powinno być mniejsze niż jedna atmosfera lub ~101,35 kPa (kilopaskali) na poziomie morza. Uważny czytelnik od razu zapyta: jakie ciśnienie w komorze próżniowej decyduje o próżni?

Będąc na Matce Ziemi, drogi czytelniku, rozpocznijmy naszą wyprawę w świat odkurzaczy z fabryk i laboratoriów badawczych. Obecnie najpopularniejszą próżnią w przedsiębiorstwach jest próżnia techniczna. Jest potrzebny fabrykom sprzętu elektronicznego i farmaceutycznym, instytutom medycznym i biotechnologicznym, laboratoriom radiobiologicznym i środowiskowym, a także w Wielkim Zderzaczu Hadronów w pierścieniach przyspieszających. Dzieli się na kilka podtypów: niską próżnię lub próżnię wstępną, wysoką i bardzo wysoką (lub głęboką) próżnię.

Forevacuum zawiera dziesięć do szesnastej potęgi cząsteczek w jednym centymetrze sześciennym. Wysoka próżnia zawiera 100 000 razy mniej cząsteczek na centymetr sześcienny niż próżnia wstępna. A ultrawysoka próżnia to kolejne 10 000 razy mniej niż wysoka próżnia. Jest dobry do mikroskopów elektronowych. Próżnię techniczną można uznać za szczególny stan niemal pustego środowiska. Ze względu na swoje właściwości – nie przewodzi ciepła – znajduje zastosowanie w naczyniach Dewara, gdzie np. magazynuje się i transportuje ciekły azot.
https://authortoday-a.akamaihd.net/posts/1271/attachments/5064720bc7094e8ba4cd7e47fced49a9.jpg

Przejdźmy teraz do świata Próżni Fizycznej. Termin ten odnosi się do przestrzeni, w której nie ma absolutnie żadnych rzeczywistych cząstek materii atomowej. Ale... Próżnia Fizyczna nie jest pusta - jest wypełniona pewnym polem energetycznym w najniższym stanie energetycznym, a fizycy nazywają to terminem "pole skwantowane". Ma zerowy pęd, zerowy moment pędu i wiele innych zerowych cech, ważnych np. dla badaczy zajmujących się fizyką wysokich energii w akceleratorach (LHC, Tevatron itp.). W bulionie energetycznym próżni fizycznej nierealne, wirtualne cząstki nieustannie rodzą się i znikają. Procesy te nazywane są oscylacjami punktu zerowego stanu energetycznego próżni. W tym przypadku nie mówimy o gęstości materii, ale o gęstości energii w próżni.

Omawiając próżnię fizyczną, specjaliści starają się zrozumieć tak niezwykłe zjawiska, jak stany próżni, zwane fałszywymi próżniami. Oczywiście to pytanie interesuje raczej naukowców niż, powiedzmy, ogrodników. Wspomniane powyżej zerowe oscylacje próżni fizycznej czasami tworzą niejako dodatkowe próżnie o energii nieco wyższej od zera. Ale fałszywa próżnia istnieje przez bardzo krótki czas (w ograniczonej przestrzeni lokalnej) i nie jest w stanie generować rzeczywistych cząstek. Po pewnym czasie ta bańka energetyczna w bulionie innych energii „zapada się” w prawdziwą próżnię.

Cóż, drodzy czytelnicy i zwiedzacze, przenieśmy się do innego świata i poznajmy wreszcie Kosmiczną Próżnię. Ten niesamowity stan materii niepokoi dziś wielu: od astronomów, kosmologów i fizyków, po astronautów, turystów kosmicznych, projektantów statków kosmicznych i pisarzy science fiction. Kosmiczna Próżnia, choć bliska Próżni Fizycznej, nie jest absolutna ani całkowicie pusta w tym sensie, że jest wypełniona materią i energią. Głównym wypełnieniem Kosmicznej Próżni są pola energii, promienie kosmiczne, plazma, fale radiowe, fotony (kwanty gamma) widma optycznego i nieoptycznego (promieniowanie termiczne i rentgenowskie). Nie skupiam się na ciemnej materii i ciemnej energii, chociaż o tym też nie należy zapominać.

W głębokim kosmosie pozostaje niezwykle mało prawdziwej materii (cząsteczek lub atomów): od 1000 (w najlepszym przypadku) do 1 sztuki na 1 centymetr sześcienny. Przypomnijmy, że średni promień atomu wynosi jeden angstrem, czyli dziesięć do minus ósmej potęgi centymetra. Biorąc pod uwagę wielkość atomu w porównaniu do boku tego sześcianu, można sobie wyobrazić oddziaływanie dwóch atomów jako komunikację dwóch karaluchów, jeśli jeden z nich mieszka w Waszyngtonie, a drugi w Moskwie. Nawet jeśli „rozsmarujesz” w tej objętości tysiąc atomów, to nawet na takiej odległości atomy nie będą w stanie przekazywać sobie energii lub karaluchy będą mogły wzajemnie drapać się po twarzy czułkami.

Naturalnie pojawia się pytanie. Jeśli wszystkie ciała niebieskie we Wszechświecie oddziałują ze sobą, to w jaki sposób sygnały są przesyłane w przestrzeni kosmicznej, w kosmicznej próżni? Przede wszystkim pamiętajmy o głównych czterech rodzajach interakcji fizycznych: elektromagnetycznym, silnym (jądrowym), słabym (przy użyciu bozonów cechowania) i oddziaływaniach grawitacyjnych i odpowiednio polach. Tutaj przysłowie jest bardziej adekwatne niż kiedykolwiek: każde warzywo ma swój czas, a my dodamy: także miejsce. Pomińmy pola bliskiego zasięgu i zwróćmy uwagę jedynie na pola elektromagnetyczne i grawitacyjne.

Aktywne jądra galaktyczne, żyjące w wyniku silnych procesów, mogą okresowo eksplodować, uwalniając kolosalną energię, namagnesowaną plazmę, różne promieniowanie w widmie optycznym, ultrafioletowym, rentgenowskim i fal radiowych oraz, oczywiście, wąsko skierowane strumienie gazu (zwykle są dwa z nich). Pióropusze gazu z flar rozciągają się od centrum eksplozji na dziesiątki kiloparseków. Prędkość materii w strumieniu gazu sięga zaledwie 500 km/s (w porównaniu z prędkością światła) i stopniowo maleje, a gęstość materii staje się porównywalna z kawałkiem na centymetr sześcienny.

Główna masa obłoków gazu i pyłu oraz wyrzucona plazma jest porywana przez potężne pole grawitacyjne wirującego jądra samej galaktyki i pozostaje w obszarze dysku akrecyjnego, nie rozciągając się poza 3-4 kiloparseki. Chociaż rozbłyski generują kosmiczne promienie galaktyczne, które mają kosmiczne prędkości wiatru galaktycznego, a mimo to niosą bardzo rozrzedzoną ilość materii. Wszystko to wpisuje się w koncepcję Kosmicznej Próżni.

Oczywiście taka ilość substancji nie nadaje się do przesyłania zwykłych sygnałów dźwiękowych. Dlatego w Kosmicznej Próżni występują mechaniczne fale podłużne (lub inaczej fale gęstości materii lub naprzemienność obszarów kompresji i rozrzedzania), w przeciwnym razie nie powstają wibracje akustyczne ani dźwięk. Lwia część energii wybuchu (~90%) jądra galaktycznego przechodzi w promieniowanie optyczne, rentgenowskie i emisję radiową, a nie w materię. To właśnie tego typu sygnały rozchodzą się w przestrzeni.
https://authortoday-a.akamaihd.net/posts/1271/attachments/33e0d837cce743a49bbf7c7f0205ee8a.jpg

Kosmiczna próżnia to nie tylko słowa i abstrakcyjne rozumowanie. Dziś na stacjach orbitalnych jest aktywnie wykorzystywany w ultradrobnych procesach technologii kosmicznej: hodowli ultraczystych kryształów do czułych detektorów, a także produkcji ogniw słonecznych na cienkich warstwach.

Drodzy czytelnicy, nie rozważaliśmy jeszcze świata próżni Einsteina, który jest niezbędny w ogólnej i szczególnej teorii względności. To jednak zupełnie inna historia i pozostawimy tę zabawę teoretykom z równaniami kosmologicznymi.

 przestrzeń, interesująca

„Umiesz zrobić coś z niczego, wujku?” - „Nie, przyjacielu, nic nie powstanie z niczego”.
Szekspir, „Król Lear” (w tłumaczeniu T.L. Szczepkina-Kupernik)

Próżnia to pusta przestrzeń. Często jest używane jako synonim słowa „nic”. Dlatego pomysł energii próżniowej wydawał się tak dziwny, kiedy Einstein go po raz pierwszy zaproponował. Jednak pod wpływem postępu w teorii cząstek elementarnych w ciągu ostatnich trzech dekad podejście fizyków do próżni radykalnie się zmieniło. Badania nad próżnią trwają i im więcej się o nich dowiadujemy, tym bardziej wydają się one złożone i niesamowite.

Według współczesnych teorii cząstek próżnia jest obiektem fizycznym; może być naładowany energią i znajdować się w różnych stanach. W terminologii fizyków stany te nazywane są różnymi próżniami. Rodzaje cząstek elementarnych, ich masy i interakcje zależą od panującej pod nimi próżni. Związek między cząstkami a próżnią jest podobny do związku między falami dźwiękowymi a materiałem, przez który się przemieszczają. Próżnia, w której żyjemy, znajduje się w najniższym stanie energetycznym, nazywa się ją „prawdziwą próżnią”. Możliwe, że nasza próżnia nie ma najniższej energii. Teoria strun, będąca dziś głównym kandydatem do roli najbardziej fundamentalnej teorii fizycznej, zakłada istnienie próżni o energii ujemnej. Jeśli rzeczywiście istnieją, wówczas nasza próżnia samoistnie ulegnie rozpadowi, co będzie miało katastrofalne skutki dla wszystkich znajdujących się w niej obiektów materialnych.

Fizycy zgromadzili bogatą wiedzę na temat cząstek zamieszkujących tego typu próżnię i sił działających między nimi. Na przykład silne oddziaływania jądrowe wiążą protony i neutrony w jądrach atomowych, siły elektromagnetyczne utrzymują elektrony na ich orbitach wokół jąder, a oddziaływania słabe odpowiadają za zachowanie nieuchwytnych cząstek światła zwanych neutrinami. Zgodnie ze swoimi nazwami, te trzy siły mają bardzo różną moc, przy czym siła elektromagnetyczna mieści się gdzieś pomiędzy silną a słabą.

Właściwości cząstek elementarnych w innych próżniach mogą być zupełnie inne. Nie wiadomo, ile jest różnych próżni, ale fizyka cząstek sugeruje, że prawdopodobnie powinny być co najmniej dwie więcej, z większą symetrią i mniejszą różnorodnością cząstek i interakcji. Pierwszą z nich jest tzw. próżnia elektrosłaba, w której oddziaływania elektromagnetyczne i słabe mają jednakową siłę i występują jako składowe jednej połączonej siły. Elektrony w tej próżni mają masę zerową i są nie do odróżnienia od neutrin. Poruszają się z prędkością światła i nie mogą być zawarte w atomach. Nic dziwnego, że nie żyjemy w tego typu próżni.

Druga to próżnia Wielkiego Zjednoczenia, w której łączą się wszystkie trzy rodzaje interakcji między cząsteczkami. W tym wysoce symetrycznym stanie neutrina, elektrony i kwarki (które tworzą protony i neutrony) stają się wymienne. Chociaż próżnia elektrosłaba prawie na pewno istnieje, próżnia Grand Unified jest konstrukcją znacznie bardziej spekulatywną. Teorie cząstek, które przewidują jego istnienie, są atrakcyjne teoretycznie, ale wymagają niezwykle wysokich energii, a ich dowody obserwacyjne są nieliczne i przeważnie pośrednie.

Każdy centymetr sześcienny próżni elektrosłabej zawiera kolosalną energię i - zgodnie z relacją Einsteina między masą a energią - ogromną masę, około dziesięciu milionów bilionów ton (w przybliżeniu masa Księżyca). W obliczu tak ogromnych liczb fizycy przechodzą na skrócony zapis liczb, wyrażając je w potęgach dziesięciu. Bilion to jedynka, po której następuje 12 zer; jest zapisane jako 10^12. Dziesięć milionów bilionów to jedynka, po której następuje 19 zer; to znaczy, że gęstość masy próżni elektrosłabej wynosi 10^19 ton na centymetr sześcienny. W próżni Wielkiego Zjednoczenia gęstość masy okazuje się jeszcze większa i potwornie większa - 10^48 razy. Nie trzeba dodawać, że takiej próżni nigdy nie wytworzono w laboratorium: wymagałoby to znacznie więcej energii, niż jest to możliwe przy obecnej technologii.

W porównaniu z tymi zdumiewającymi wartościami energia zwykłej prawdziwej próżni jest znikoma. Długo uważano, że wynosi dokładnie zero, ale ostatnie obserwacje wskazują, że próżnia może mieć niewielką energię dodatnią, równoważną masie trzech atomów wodoru na metr sześcienny. Znaczenie tego odkrycia stanie się jasne w rozdziałach 9, 12 i 14. Próżnia wysokoenergetyczna nazywana jest „próżnią fałszywą”, ponieważ w przeciwieństwie do próżni prawdziwej jest niestabilna. Po krótkim czasie, zwykle niewielkim ułamku sekundy, fałszywa próżnia rozpada się, zamieniając się w prawdziwą, a jej nadmiar energii zostaje uwolniony w postaci kuli ognia cząstek elementarnych. W kolejnych rozdziałach przyjrzymy się procesowi zaniku próżni znacznie bardziej szczegółowo.

Jeśli próżnia ma energię, to według Einsteina musi mieć również napięcie. Wniosek ten jest łatwy do zrozumienia na podstawie prostych rozważań dotyczących energii. Siła zawsze działa na obiekt fizyczny w kierunku zmniejszania się jego energii. (A dokładniej energia potencjalna, która jest składnikiem energii niezwiązanej z ruchem.) Przykładowo siła grawitacji ściąga obiekty w dół, w kierunku malejącej energii. (Energia grawitacji rośnie wraz z wysokością nad poziomem gruntu.) W przypadku fałszywej próżni energia jest proporcjonalna do zajmowanej przez nią objętości i można ją zmniejszyć jedynie poprzez zmniejszenie objętości. Dlatego musi istnieć siła powodująca kompresję próżni. Ta siła to napięcie.

Ale napięcie tworzy odpychający efekt grawitacyjny. W przypadku próżni odpychanie jest trzy razy silniejsze niż przyciąganie grawitacyjne wywołane jej masą, więc całkowite odpychanie jest bardzo silne. Einstein wykorzystał tę antygrawitację próżni do zrównoważenia przyciągania grawitacyjnego zwykłej materii w swoim modelu świata w stanie ustalonym. Odkrył, że równowagę osiąga się, gdy gęstość masy materii jest dwukrotnie większa niż próżni. Guth zaproponował inny plan: zamiast równoważyć Wszechświat, chciał go napompować. Pozwolił więc, aby bez sprzeciwu dominowała odpychająca grawitacja fałszywej próżni.

Inflacja kosmiczna

Alan Guth w swoim biurze w Massachusetts Institute of Technology. Guth jest dumnym zwycięzcą konkursu Boston Globe w 1995 r. na najbardziej zagracone biuro.

Co by się stało, gdyby w odległej przeszłości przestrzeń Wszechświata znajdowała się w stanie fałszywej próżni? Gdyby gęstość materii w tamtej epoce była mniejsza niż wymagana do zrównoważenia Wszechświata, wówczas dominowałaby grawitacja odpychająca. Spowodowałoby to rozszerzenie się wszechświata, nawet jeśli początkowo się nie rozszerzył.
Aby nasze wyobrażenia były bardziej określone, założymy, że Wszechświat jest zamknięty. Następnie nadmuchuje się jak balon na rysunku 3.1. Wraz ze wzrostem objętości Wszechświata materia ulega rozrzedzeniu, a jej gęstość maleje. Jednakże gęstość masy fałszywej próżni jest stałą stałą; zawsze pozostaje takie samo. Tak więc bardzo szybko gęstość materii staje się znikoma, pozostaje nam jednorodne, rozszerzające się morze fałszywej próżni.

Ekspansja spowodowana jest napięciem fałszywej próżni przekraczającym przyciąganie związane z gęstością jej masy. Ponieważ żadna z tych wielkości nie zmienia się w czasie, tempo rozszerzania pozostaje dokładnie stałe. Tempo to charakteryzuje się proporcją, w jakiej Wszechświat rozszerza się w jednostce czasu (powiedzmy, jednej sekundy). W sensie wartość ta jest bardzo zbliżona do stopy inflacji w gospodarce – procentowego wzrostu cen w skali roku. W 1980 r., kiedy Guth wykładał na seminarium na Harvardzie, stopa inflacji w Stanach Zjednoczonych wyniosła 14%. Gdyby ta wartość pozostała stała, ceny podwajałyby się co 5,3 roku. Podobnie stałe tempo rozszerzania się Wszechświata oznacza, że istnieje ustalony przedział czasu, w którym rozmiar Wszechświata podwaja się.

Wzrost charakteryzujący się stałym czasem podwajania nazywany jest wzrostem wykładniczym. Wiadomo, że bardzo szybko prowadzi to do gigantycznych liczb. Jeśli dzisiaj kawałek pizzy kosztuje 1 dolara, to po 10 cyklach podwajania (w naszym przykładzie 53 lata) jego cena wyniesie 1024 dolarów, a po 330 cyklach osiągnie 10^100 dolarów. Ta kolosalna liczba, składająca się z jedynki i 100 zer, ma specjalną nazwę – googol. Guth zaproponował użycie terminu inflacja w kosmologii do opisania wykładniczej ekspansji Wszechświata.

Czas podwojenia wszechświata wypełnionego fałszywą próżnią jest niewiarygodnie krótki. Im wyższa energia próżni, tym jest ona krótsza. W przypadku próżni elektrosłabej wszechświat rozszerzy się googola razy w ciągu jednej trzydziestej mikrosekundy, a w obecności próżni Wielkiej Zunifikowanej stanie się to 10^26 razy szybciej. W tak krótkim ułamku sekundy obszar wielkości atomu powiększy się do rozmiarów znacznie większych niż cały dzisiejszy obserwowalny Wszechświat.

Ponieważ fałszywa próżnia jest niestabilna, w końcu rozpada się, a jej energia zapala kulę ognia cząstek. To wydarzenie oznacza koniec inflacji i początek normalnej ewolucji kosmologicznej. W ten sposób z maleńkiego początkowego zarodka otrzymujemy gorący, rozszerzający się Wszechświat o ogromnych rozmiarach. Jako dodatkowy bonus, scenariusz ten w cudowny sposób eliminuje problemy z horyzontem i płaską geometrią, nieodłącznie związane z kosmologią Wielkiego Wybuchu.

Istota problemu horyzontu polega na tym, że odległości między niektórymi częściami obserwowalnego Wszechświata są takie, że najwyraźniej zawsze były większe niż odległość, jaką przebyło światło od Wielkiego Wybuchu. Zakłada się, że nigdy ze sobą nie oddziaływały, a wtedy trudno wyjaśnić, w jaki sposób osiągnęły niemal dokładną równość temperatur i gęstości. W standardowej teorii Wielkiego Wybuchu odległość pokonywana przez światło rośnie proporcjonalnie do wieku Wszechświata, podczas gdy odległości między regionami rosną wolniej w miarę spowalniania ekspansji kosmosu przez grawitację. Regiony, które dziś nie mogą ze sobą współdziałać, będą mogły na siebie oddziaływać w przyszłości, gdy światło w końcu pokona dzielącą je odległość. Jednak w przeszłości odległość, jaką pokonuje światło, stawała się jeszcze krótsza niż powinna, więc jeśli obszary nie mogą dzisiaj oddziaływać na siebie, to z pewnością nie mogły tego robić wcześniej. Źródłem problemu jest zatem atrakcyjny charakter grawitacji, który powoduje stopniowe spowolnienie ekspansji.

Jednakże we wszechświecie z fałszywą próżnią grawitacja jest odpychająca i zamiast spowalniać ekspansję, przyspiesza ją. W tym przypadku sytuacja jest odwrotna: obszary, które mogą wymieniać sygnały świetlne, w przyszłości stracą tę zdolność. I co ważniejsze, te obszary, które dziś są dla siebie niedostępne, musiały oddziaływać w przeszłości. Problem horyzontu znika!

Problem płaskiej przestrzeni można rozwiązać równie łatwo. Okazuje się, że Wszechświat oddala się od swojej gęstości krytycznej tylko wtedy, gdy jego ekspansja wyhamuje. W przypadku przyspieszonej ekspansji inflacyjnej jest odwrotnie: Wszechświat zbliża się do gęstości krytycznej, co oznacza, że staje się bardziej płaski. Ponieważ inflacja ogromnie rozszerza wszechświat, widzimy tylko niewielką jego część. Ten obserwowalny obszar wydaje się płaski, podobny do naszej Ziemi, która również wydaje się płaska, gdy patrzy się na nią z bliska powierzchni. Tak więc krótki okres inflacji sprawia, że Wszechświat jest duży, gorący, jednolity i płaski, tworząc dokładnie takie warunki początkowe wymagane w standardowej kosmologii Wielkiego Wybuchu…

Rtęciowy barometr próżniowy Evangelisty Torricellego, naukowca, który jako pierwszy wytworzył próżnię w laboratorium. Nad powierzchnią rtęci w górnej części uszczelnionej rurki znajduje się „pustka Torricellego” (próżnia zawierająca pary rtęci pod ciśnieniem nasycenia ... Wikipedia

Próżnia (od łac. próżnia) to ośrodek zawierający gaz pod ciśnieniem znacznie niższym od atmosferycznego. Próżnię charakteryzuje związek pomiędzy swobodną drogą cząsteczek gazu λ a charakterystyczną wielkością procesu d. Pod d można wziąć... ... Wikipedię

Rękopis Voynicha został napisany przy użyciu nieznanego systemu pisma Rękopis Voynicha (angielski Voynich ... Wikipedia

Inflacja- (Inflacja) Inflacja to deprecjacja jednostki monetarnej, spadek jej siły nabywczej.Ogólne informacje o inflacji, rodzaje inflacji, jaka jest istota ekonomiczna, przyczyny i skutki inflacji, wskaźniki i wskaźnik inflacji, jak... ... Encyklopedia inwestorów

Cewka moczowa (cewka moczowa; synonim cewki moczowej) to przewód wydalniczy pęcherza moczowego, przez który mocz jest usuwany z organizmu na zewnątrz. Anatomia i histologia Cewka moczowa (ryc. 1) zaczyna się na dnie pęcherza (pęcherza)… … Encyklopedia medyczna

I Bąblowica (bąblowica) to robaczyca z grupy cystodoz, w przebiegu której w wątrobie, płucach lub innych narządach i tkankach tworzą się cysty bąblowicowe. E. najczęściej występuje w Australii, Nowej Zelandii, Ameryce Południowej, Północnej... ... Encyklopedia medyczna

Najbardziej niewiarygodnym końcem świata byłaby zagłada świata w wyniku zapadnięcia się fałszywej próżni. W takim przypadku nie tylko ludzie, planeta, Słońce i Droga Mleczna, ale cały obserwowalny Wszechświat przestałby istnieć. Naukowcy wielokrotnie straszyli ludzkość taką przyszłością, w szczególności filozof Nick Bostrom, autor pracy „Czy żyjesz w symulacji komputerowej?” Jak niebezpieczna jest prawdziwa próżnia dla życia na Ziemi, widać w materiale Lenta.ru.

Próżnia w kwantowej teorii pola odpowiada stanowi układu o minimalnej możliwej energii. Wszystkie procesy fizyczne w takim świecie zachodzą przy energiach przekraczających tę wartość, przyjmowaną jako zero. Tymczasem możliwe jest, że Wszechświat lub jego obserwowalna część znajduje się w metastabilnej, czyli fałszywej próżni. Oznacza to, że istnieje jeszcze korzystniejsza pozycja energetyczna, w którą Wszechświat może ewoluować – prawdziwa próżnia.

Ilościowy opis przejścia układu od próżni fałszywej do prawdziwej został po raz pierwszy zaproponowany w latach 70. XX wieku przez sowieckich fizyków. Niemal w tym samym czasie pytania te przyciągnęły uwagę amerykańskich naukowców. Dotychczas opracowano aparat matematyczny pozwalający oszacować prawdopodobieństwo tunelowania układu ze stanu początkowego, metastabilnego, do drugiego, bardziej stabilnego. Opiera się w dużej mierze na fizyce statystycznej i kwantowej teorii pola, które stanowią podstawę tzw. formalizmu bańki kosmologicznej.

W tym podejściu uważa się, że obserwowalny świat istnieje w fałszywej próżni. Stan ten najprawdopodobniej ma charakter metastabilny - cały Wszechświat lub jego część, którą widzi człowiek, może znajdować się w stanie stabilnym przez ogromny okres czasu w skalach kosmologicznych, który jednak jest skończony. W bańce fałszywej próżni może powstać bańka prawdziwej próżni. Ewolucja Wszechświata w tym przypadku następuje na skutek rozpadu pierwotnego stanu metastabilnego.

Bańka prawdziwej próżni rozszerza się wewnątrz bańki fałszywej próżni zgodnie ze szczególną teorią względności nie szybciej niż prędkość światła i niszczy całą materię pierwotnego świata. Dlatego mówią o możliwej śmierci obserwowalnego Wszechświata. Jednakże ilościowa analiza zaniku fałszywej próżni jest obarczona dużą niepewnością.

Najważniejsze, co należy zrobić, to oszacować prawdopodobieństwo narodzin bańki nowej fazy kosmologicznej. Istnieją dwa główne podejścia, które pozwalają maksymalnie uprościć problem i uzyskać jednoznaczne wyrażenia na prawdopodobieństwo przejścia - podejście cienkich i grubych ścian. Podstawowym obiektem jest potencjał Higgsa (inaczej potencjał Ginzburga-Landaua) Modelu Standardowego – nowoczesnej koncepcji fizyki cząstek elementarnych. Zawiera pole Higgsa, które odpowiada za pojawienie się masy obojętnej w cząstkach.

Tworzenie się pęcherzyka prawdziwej próżni w fałszywym pęcherzyku odpowiada przejściu fazowemu pierwszego rzędu, gdy układ ulega nagłej, a nie ciągłej, jak w przypadku przejścia fazowego drugiego rzędu. Najważniejszą rzeczą w obu przybliżeniach jest wysokość bariery potencjału oddzielającej próżnię fałszywą i prawdziwą. Przybliżenie cienkościenne działa, gdy różnica między minimami potencjału fałszywego i prawdziwego jest znacznie mniejsza niż wysokość bariery między nimi.

Jeśli grubość ścianki jest znacznie mniejsza niż promień pęcherzyka, główny wpływ na prawdopodobieństwo jego narodzin ma energia powierzchniowa, a nie objętościowa. Określenie prawdopodobieństwa w tym przypadku sprowadza się do obliczenia wykładnika. Przybliżenie grubościenne jest stosowane znacznie rzadziej w fizycznie interesujących teoriach. I jasne jest, dlaczego: w tym przypadku prawdopodobieństwo powstania pęcherzyków nowej fazy jest wykładniczo tłumione - fałszywej próżni praktycznie nie można odróżnić od prawdziwej.

Prawdopodobieństwo tunelowania zależy od poprawek kwantowych potencjału Higgsa, w szczególności od udziału ciężkich cząstek. Obecnie kwark górny uważany jest za najcięższą cząstkę elementarną - jego masa przekracza 173 gigaelektronowoltów. Dlatego odkrycia nowych ciężkich cząstek są tak ważne dla modeli kosmologicznych – mogą wpływać na przewidywania stabilności obserwowalnego świata.

Grawitacja odgrywa szczególną rolę w zaniku próżni - zakrzywieniu czasoprzestrzeni. W szczególności mikroskopijne czarne dziury, które mogą powstać w wyniku zderzeń cząstek o wysokiej energii, setki razy zwiększają prawdopodobieństwo narodzin prawdziwych pęcherzyków próżniowych w ich pobliżu. Dynamika bąbelków kosmologicznych jest jeszcze bardziej złożona, jeśli w pierwotnym Wszechświecie tworzy się kilka bąbelków - rozszerzając się i zderzając ze sobą, tworzą nowy świat z prawdziwą próżnią.

Dziś nie wiadomo, w jakim stanie znajduje się Wszechświat. Jeśli to prawdziwa próżnia, to nie ma się czym martwić. Jeśli to prawda, to najprawdopodobniej również - wymiary obserwowalnego Wszechświata są zbyt duże, aby nowa bańka, rozszerzająca się z prędkością światła, mogła wypełnić cały świat w rozsądnym czasie według ludzkich standardów. Jest jednak wyjątek – jeśli w bezpośrednim sąsiedztwie ludzkości w jakiś sposób pojawi się nowy etap. Wtedy Ziemia mogłaby umrzeć niemal natychmiast.