Ложный и истинный вакуум: что это такое? Где применяются эти термины и что означают?
Предсказания конца света являют собой новый тренд в массовой культуре последнего времени. Футурологи и оккультисты всей мастей соревнуются в описании красочного финала человеческой истории. Ученые не отстают от мировых тенденций и считают, что причиной гибели Земли станет взаимодействие двух сущностей – ложный и истинный вакуум. Сюжет настолько интересен, что тянет на голливудский блокбастер.
Разрешение неоднозначности
Прежде чем приступить к расшифровке понятий квантовой механики, необходимо справиться о том, что вкладывают в понятие «vacuum» в разных контекстах:
- В общем случае считается, что это пространство, лишенное материи. В переводе с латинского слово переводится как «свобода» или «пустота»;
- В технике и прикладной физике: любое пространство, в котором давление ниже атмосферного. Так, английское название пылесоса «vacuum cleaner» отсылает именно к этому толкованию;
- В контексте исследований естественных наук XIX века: это среда, наполненная вездесущей субстанцией под названием эфир;
- В электромагнетизме: эталонная среда для электромагнитного воздействия. Она не создает препятствий для распространения излучения. В ней принцип суперпозиции двух электрических потенциалов представляет собой лишь простое сложение каждого потенциала.
Философские споры относительно понятий «пустота» и «ничто» длятся вот уже более двух тысяч лет. Первые попытки ступить на эту зыбкую почку сделал Платон, но его идеи были тут же отвергнуты: ничто нельзя воспринять органами чувств – а значит, нельзя доказать его существование.
Что такое истинный вакуум?
Чаще всего в лабораторных и естественных условиях физики имеют дело с так называемым частичным вакуумом, который отклоняется от «стерильных» условий на некоторую величину. Примером такого «недовакуума» может служить космическое пространство:
- Оно имеет крайне низкую плотность и давление;
- Однако даже в межзвездном пространстве имеется несколько атомов водорода на кубический метр;
- Планеты и звезды еще дальше от идеальных условий: они имеют свои атмосферы за счет гравитационного притяжения;
- По сути космос представляет собой разреженную плазму, наполненную заряженными частицами и электромагнитными полями.
В противовес такой несовершенной модели существует концепция «идеального вакуума», который представляет собой так называемое основное состояние в квантовой теории поля:
- Это состояние с минимально возможной (нулевой) энергией;
- Его невозможно достичь экспериментально, оно существует только «на кончике пера»;
- Несмотря на средние нулевые значения электрического и магнитного полей, их дисперсии не равны нулю;
- Изредка в такой «пустоте» появляются и исчезают виртуальные частицы (явление называется флуктуацией).
Физические теории
В рамках современной квантовой физики теория истинного физического вакуума остается не до конца разработанной. Существует несколько подходов к исследованию данного феномена:
- Множество частиц с крошечной энергией;
- Ячеистая среда, которая обладает отрицательным давлением;
- Квантовая жидкость, состоящая из фотонных частиц. Они сцеплены между собой в мозаику, напоминающую кристаллическую химическую связь;
- Жидкость из квазичастиц со сверхтекучими свойствами;
- По мнению английского ученого Поля Дирака, это бесконечное море частиц с энергией ниже нулевого значения.
Господствовавшая на протяжении истории интерпретация латинского понятия «vacuum» как «пустоты» сегодня не используется.
Напротив, онтологический смысл его изменился: вместо «ничто» (бессодержательного пространства) – «нечто» (содержащее в себе потенцию всего сущего). Физики полагают, что вакуум может рождать все явления внешнего мира и является наиболее базовой сущностью во Вселенной. А потому – не до конца познанной.
Что такое ложный вакуум?
Одна из самых популярных гипотез относительно природы «содержательной пустоты» принадлежит американским физикам Фрэнку Вильчеку и Майклу Тэрнеру. Они впервые выдвинули теорию так называемого «ложного вакуума», который обладает такими свойствами:
- Его энергетический уровень крайне мал, но не равен нулю, в отличие от истинного вакуума;
- Вероятно, такое состояние может возникнуть при удалении максимального количества частиц и энергии из обычного пространства. Такая операция приведет к появлению квантовых полей с локальным минимумом энергии;
- Состояние отличается неустойчивостью из-за «туннельного эффекта», когда элементарные частицы без труда минуют потенциальный барьер и переходят в более низкие энергетические состояния;
- Мнимый вакуум имеет тенденцию превращаться в истинный. Математическая модель этого перехода была разработана еще в 1970-х годах советскими учеными.
Феномен в живой природе пока не зарегистрирован. Есть только теоретические предположения, касающиеся природы всей Вселенной, о чем речь пойдет ниже.
Экзистенциальная угроза
Недостаточная изученность фундаментальных космологических вопросов открывает широкий простор для бурной фантазии физиков. Одна из популярных ныне научных «страшилок» касается угрозы для Вселенной, если последняя находится в состоянии минимальной энергии:
- Первыми дискуссию на эту тему завели ученые Эрик Макс Тегмарк и Ник Бостром. В 2005 году в журнале «Нэйче» они опубликовали сенсационную статью, в которой провозглашали гибель всего сущего спустя несколько сотен миллионов лет;
- Такой сценарий весьма вероятен, если Вселенная находится в мнимом вакууме. Это состояние плавно перетечет в вакуум истинный, что будет сопровождаться неопределенными, но фатальными последствиями;
- Рождение нового состояния можно описать как появление внутри одного космологического пузыря нескольких новых;
- Эти пузыри будут сталкиваться друг с другом, объединяясь и рождая новый мир;
- Если теория верна, пузырь будет расширяться с чудовищной скоростью и гибель жизни на Земле будет практически мгновенна.
Апокалипсический сюжет лег в основу романа «Пробуждение Посейдона» (2015 год) британского писателя Аластера Рейнольдса.
Относительность научной картины мира может выбить почву из-под ног. В дополнение к понятию пустоты, понятному всякому обывателю, физики выдвинули «почти-пустоту», которая бесконечно близка к ней, но все же содержит некий минимум энергии. Так простыми словами можно описать ложный и истинный вакуум. Для более подробного ознакомления с феноменом потребуется глубокое техническое образование.
Видео: почему ложный вакуум может уничтожить вселенную?
В данном ролике физик Роберто Стивенс расскажет, как в считанные секунды может пропасть вселенная:
