Количество энергии, содержащейся в пустом пространстве, оказывается, очень сложно объяснить, не привлекая теорию мультивселенной. Но у физиков осталась, по меньшей мере, ещё одна альтернатива для изучения.
Противоречивая идея о том, что наша Вселенная – всего лишь случайный пузырик в бесконечной пенящейся Вселенной, логически вытекает из наиболее, на первый взгляд, невинной особенности природы: пустого пространства. Конкретно, гипотеза мультивселенной растёт из невероятно крохотного количества энергии, содержащегося в пустом пространстве – известной, как вакуумная энергия, тёмная энергия или космологическая константа. В каждом кубическом метре пустого пространства содержится такое количество энергии, которого хватит, чтобы зажечь электрическую лампочку всего на 11 триллионных долей секунды. «Это как кость в горле» – так однажды описал нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проблему, из-за которой в вакууме должно быть, по меньшей мере, в триллион триллионов триллионов триллионов триллионов раз больше энергии из-за присутствия в нём всех полей, связанных с материей и взаимодействиями. Но каким-то образом все воздействия этих полей почти полностью взаимно уничтожаются, и получается безмятежный покой. Почему пустое пространство такое пустое?
Хотя мы не знаем ответа на этот вопрос – печально знаменитую "проблему космологической постоянной" – крайняя степень пустоты нашего вакуума кажется необходимой для нашего существования. Во вселенной, чуть более заполненной гравитационно отталкивающей энергией, пространство расширялось бы слишком быстро для того, чтобы могли сформироваться такие структуры, как галактики или планеты. Такая тонко настроенная система говорит о том, что вселенных может быть множество, и в каждой из них может быть своё количество энергии вакуума, а мы обитаем во вселенной с чрезвычайно низким показателем, потому что не могли бы появиться в какой-то другой.
Некоторые учёные морщатся из-за тавтологии "антропного принципа" и недолюбливают теорию мультивселенной за непроверяемость. Даже те, кто не против этой теории, хотели бы иметь альтернативные решения для проблемы космологической постоянной. Но пока её практически невозможно решить без мультивселенной. «Проблема тёмной энергии настолько трудная и неудобная, что люди не нашли для неё одного-двух решений», — сказал Раман Сандрам, физик-теоретик из Мэрилендского университета.
Чтобы понять, почему так происходит, рассмотрим, что же собой представляет энергия вакуума. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что материя и энергия говорят пространству-времени, как искривляться, а кривизна пространства-времени говорит материи и энергии, как двигаться. Из уравнений автоматически вытекает способность пространства-времени обладать собственной энергией – постоянным количеством, остающимся, когда там уже больше ничего нет, которое Эйнштейн назвал космологической постоянной. Десятилетиями космологи предполагали, что её значение равно нулю, учитывая достаточно постоянную скорость расширения Вселенной, и думали, почему так получилось. Но в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение космоса на самом деле постепенно ускоряется, из чего следует наличие отталкивающей энергии, пронизывающей всё пространство.
Однако предполагаемая плотность этой энергии вакуума противоречит тому, что говорит о пустом пространстве квантовая теория поля. Квантовое поле считается пустым, когда через него не движутся частицы, представляющие собой возбуждения поля. Но из-за принципа неопределённости, состояние квантового поля никогда не является точно известным, поэтому энергия не может точно равняться нулю. Представьте, что квантовое поле состоит из маленьких пружинок, расположенных в каждой точке пространства. Пружинки постоянно колеблются, поскольку всегда растянуты на какое-то неопределённое расстояние от наиболее расслабленного состояния. Они всегда либо немного сжаты, либо немного растянуты, и поэтому всегда двигаются, а значит, обладают энергией. Это называется нулевой энергией поля. У полей взаимодействий нулевая энергия положительная, а у полей материи – отрицательная, и эти энергии участвуют в общей энергии вакуума.
Общая энергия вакуума должна быть примерно равной сумме крупнейших вкладов. Однако наблюдаемая скорость космического расширения говорит о том, что это значение на 60-120 порядков меньше некоторых вкладов нулевой энергии полей, как если бы все разные положительные и отрицательные члены взаимно уничтожали бы друг друга. Но придумать физический механизм этого выравнивания чрезвычайно трудно, по двум причинам.
Во-первых, энергия вакуума действует только гравитационно, поэтому, чтобы её уменьшить, необходим гравитационный механизм. Но в первые моменты жизни Вселенной, когда такой механизм мог работать, она была настолько маленькой, что вся её вакуумная энергия была пренебрежимо малой по сравнению с количеством материи и излучения. Гравитационные эффекты энергии вакуума померкли бы перед гравитацией всего остального. «Это одна из величайших трудностей решения проблемы космологической постоянной», — писал физик Рафаэль Буссо в 2007. Гравитационный механизм обратной связи, точно подстраивающий вакуумную энергию в условиях ранней Вселенной, писал он, «можно грубо сравнить с самолётом, летящим в шторм по курсу с точностью до атомных размеров».
Усложняет ситуацию то, что подсчёты квантовой теории поля показывают, что энергия вакуума поменяла бы значение в результате фазовых изменений охлаждающейся Вселенной вскоре после Большого взрыва. В результате встаёт вопрос, сработал ли этот гипотетический механизм, выровнявший энергию вакуума, до или после этих изменений. И как механизм мог знать, насколько большими будут эти эффекты, чтобы так точно их компенсировать?
Пока что, эти препятствия мешают попыткам объяснить крохотный вес пустого пространства, не опускаясь до лотереи мультивселенных. Но недавно некоторые исследователи перешли к изучению одного альтернативного варианта: если Вселенная не появилась из ничего, а отскочила, претерпев предшествующее сжатие, тогда сжимавшаяся Вселенная в далёком прошлом должна была быть огромной, и в ней должна была доминировать энергия вакуума. Возможно, именно тогда некий гравитационный механизм мог бы воздействовать на изобилие энергии вакуума, и каким-то образом естественно рассеивать её со временем. Эта идея вдохновила физиков Питера Грэхема, Дэвида Каплана и Саржита Раджендрана [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran] на создание новой модели космического отскока, хотя им пока только предстоит показать, каким именно образом должно было работать вакуумное рассеивание в сжимающейся вселенной.
В ответе на письмо Буссо назвал этот подход «чрезвычайно достойной попыткой», и «хорошо информированной и честной борьбой с серьёзной проблемой». Но добавил, что в модели остаются крупные проблемы, и «технические препятствия, которые надо преодолеть, чтобы заполнить этих дыры и заставить идею работать, кажутся довольно серьёзными. Вся эта конструкция уже напоминает машину Голдберга, и, в лучшем случае, станет ещё более запутанной в будущем, когда дыры будут заполнены». Он и другие сторонники мультивселенной, считают, что их вариант ответа по сравнению с этим выглядит более простым.
Комментарии (29)
george_vernin
23.04.2018 18:08Измерение нулевых колебаний -очень важный вопрос.
До сих пор не понятно что и как измерят — в том плане, что часть колебаний достаточно хорошо подтверждена, часть ненятно как измерить.
Часть возможно скрывается и както связана с темной материей.
denis64
23.04.2018 18:37-1Господа, вот скажите мне, можно ли ограничение скорости света рассматривать как меру упругости пространства?
Moog_Prodigy
23.04.2018 19:52На первый взгляд — нет. Нельзя же оценивать плотность воздуха, измеряя скорость в садовом шланге для полива. Вода уходит с максимальной для нее скоростью (насколько позволяет насос и давление, а также сопло), но плотность и температуру воздуха мы через эти параметры не оценим.
Можно пойти путем приближения, и делать ряд поправок по графику, но это не научно.
4erdak
23.04.2018 19:45-1Иногда поражает слепота ученых, вместо бреда вроде:
Количество энергии, очень сложно объяснить, не привлекая теорию мультивселенной
Нужно всего лишь принять тот факт, что вселенная это гигантсктй реактор, который перерабатывает энергию массы посредством термоядерного синтеза и гравитационного коллапсая сначала в энергию электромагнитных и гравитационных волн, а через механизм космологического «покраснения» и те и другие волны постепенно теряют эгергию передавая ее расширяющемуся пространству, так что вся энергия, которая сейчас есть вакуум раньше была обычной материей.
Idot
23.04.2018 22:20А почему Тёмной Энергии вдруг для объяснения оказалось недостаточно?
vedenin1980
23.04.2018 22:32Речь про Темную Энергию («известной, как вакуумная энергия, тёмная энергия или космологическая константа») и идет, парадокс в том что по всем расчетам ТЭ слишком слабая по сравнению с расчетами и непонятно почему. Причем слабая на огромное количество порядков, это как (утрировано) сила должна космические ракеты со скоростью света раскидывать, а она едва атомы перевещает.
Причем если бы ТЭ была чуть более сильной, то во Вселенной не образовались бы звезды, чуть менее сильной и Вселенная колопсировала сразу обратно. Толи мы не знаем что-то совершенно о законах мироздания, то ли попыток было намного больше одной (МультиВселенная или теория отскока)4erdak
24.04.2018 00:19Наверное нужно уточнить, что КТП предсказзывает плотность энергии вакуума не для современноати, а в период так называемой инфляции после чего ее плотность обрушилась на 120 порядков до современного значения плотности ТЭ, которую кстати тоже "определили" исходя из парадигмы ОТО. Дело в том, что в этой парадигме пространство по умолчанию не является плоским(эвклидовым), что противоречит наблюдениям что бы заткнуть эту дыру и "подбить баланс" придумали некую ТЭ с какими то присущими ей свойствами, удовлетворяющих наблюдения.
Skycaptain
24.04.2018 10:57т.е. темную энергию «придумали», чтобы объяснить «излишки энергии», а теперь оказалось, что их слишком мало?
kauri_39
23.04.2018 23:17"Во вселенной, чуть более заполненной гравитационно отталкивающей энергией, пространство расширялось бы слишком быстро для того, чтобы могли сформироваться такие структуры, как галактики или планеты."
В своей первой публикации я сказал о том, как можно совместить высокую плотность энергии пространства и наблюдаемую скорость разлёта скоплений галактик. Некоторые предполагают, что "каким-то образом все воздействия этих полей почти полностью взаимно уничтожаются, и получается безмятежный покой". Но плотность энергии можно гасить не взаимным уничтожением её слагаемых, а взаимным уничтожением плотностей двух объёмов: пространства нашей Вселенной и внешнего пространства, в котором она расширяется. Есть же гипотеза мультивселенной — бесконечного пространства со множеством расширяющихся вселенных. И что мешает наделить это внешнее пространство чуть меньшей плотностью энергии, чем у вселенского пространства, чтобы подогнать скорость разлёта скоплений под наблюдаемое значение? Тёмной материи легко добавляют для подгонки под наблюдения вращений галактик, их кластеров и гравлинзирования, а тёмной энергии для внешнего пространства почему-то жалеют.
И потом, такое понятие как пространство-время — это всё-таки абстракция в рамках ОТО. В реальности это физическая среда, имеющая, согласно КТП, огромную плотность энергии. Среда расширяется почти без потери своей плотности, что требует введения особого 5 измерения, из которого в неё должны постоянно и повсеместно поступать её новые элементы (кванты пространства).
Так вот, на её огромную плотность указывают не только расчёты её плотности в рамках КТП, но и наблюдения разлёта скоплений в рамках ОТО. Но указывает не скорость разлёта, а одновременность движения скоплений без разделения по скоростям их разных по плотности структур. То есть разреженный межгалактический газ в скоплениях летит от нас вследствие космологического расширения с той же скоростью и ускорением, что и более плотные звёзды и другие тела в галактиках и даже их чёрные дыры. А это возможно лишь в том случае, если расширяющаяся и движущая их среда имеет достаточно высокую плотность. Как убеждал меня по аналогичному поводу Николай Горькавый: "Возьмите пылесос с потоком легкого воздуха — он хорошо всасывает бумагу и плохо — гайки" (Да-да, прежде чем забанить). То есть лёгким и бесплотным пространство быть не может.
Вообще меня радует, что физики приходят к пониманию связи между структурами пространства и мультиверса. Вакуумная "пена" не просто подобие "пены" вселенных, это вселенные смежного масштаба пространства-времени. Я уже писал здесь комментарий о проверяемом варианте мультиверса к статье "Безумство мультивселенной", но в своём блоге в ЖЖ дополнил его картинкой: https://kauri-39.livejournal.com/198999.html
Psychosynthesis
24.04.2018 02:07крохотного количества энергии, содержащегося в пустом пространстве – известной, как вакуумная энергия, тёмная энергия или космологическая константа
Мне одному кажется что она больно лихо знак равенства между энергией вакуума и тёмной энергией поставила?
scifinder
24.04.2018 07:11А у меня всегда возникает вопрос, когда я слышу теории типа «кто-то создал всё» или «Вселенная произошла из другой Вселенной»: а где начало-то? Кто создал этого «кого-то» или ту, предыдущую Вселенную? ИМХО, такие теории ничего не объясняют. Это всё равно, что объяснять происхождение жизни на Земле теорией «тебя мама с папой сделали». Ну да, сделали. А их кто сделал?
dauster
24.04.2018 20:40Думаю, многие задумывались над этим вопросом.
Лично я допускаю мысль, что формально — ничего и не существует.
Если мы возьмем 0 за небытие, то парные состояния -1 и +1, -2 и +2, а также их комбинации (-1 и -1 и +2) — то есть некие вселенные и антивселенные в бесконечном количестве (мультивселенная)- всегда дают этот самый ноль.
То есть бытие есть состояние небытия в каком-то смысле.
mrobespierre
24.04.2018 20:40Вопрос к знатокам темы: теории о том, что наша вселенная вообще не существует (является правдоподобной симуляцией например) серьёзными учёными всерьёз рассматривается? Просто существование этой вселенной ещё не доказано (на сколько мне известно), а верить в это просто потому что вижу по-моему как-то ненаучно (я про проверку двойным слепым методом или чем-то подобным, нынешняя невозможность этого не делает "верю" более научным).
vedenin1980
24.04.2018 20:58Постоянно и учеными и философами, см. Идеализм и Солипсизм. Тут проблема в том, что даже если наша Вселенная симуляция:
1. это невозможно определить из самой симуляции,
2. по большому счету не имеет значения для тех кто находится в симуляции, ну то есть даже если живем в симуляции надо жить так же как в реальной Вселенной,
3. в любом случае симуляция или реальность будет вопросом веры и никак не получится доказать любую из теорий,
Отсюда, можно не заморачиваться симуляции или нет, все равно нам нужно изучать свойства той Вселенной в которой мы живем, так как «родительская» Вселенная нам недоступна.
vitaliebureanu
Лично я являюсь приверженцем теории отскока. Потому что, любой процесс протекает во времени. А значит когда произошел БВ, его причина тоже протекала во времени, что автоматически приводит нас к тому, что время и материя существовали всегда. И до, и тем более после БВ. А значит, что скорее всего вселенная как пружина — то расширяется, то сжимается. Мы с вами на данный момент находимся в стадии расширения. :)
Zidian
<Креационист mode on>
Чего только не придумают, лишь бы не признавать очевидного.
<Креационист mode off>
Een_Stemming
Всегда существовало — это не научно. Это что-то из религии.
vedenin1980
Так то что «пространство, время и энергия появились вообще из ничего» тоже не сильно лучше (кстати, тоже из религии). Вот вообще ничего не было, потом раз и все появилось (как что-то может появится совсем из ничего? и если тогда не было времени как можно судить это было прошлое или будущее? откуда взялось событие порадившее все, если даже времени там не было?).
Поэтому есть три одинаково пародоксальные идеи начала всего:
— что-то (любая субстанция или базовая вселенная) существовало всегда,
— совершенное ничто превратилось во все что мы видим,
— вселенная циклична по времени и ее будущее превращается в прошлое,
Любую из трех идей сложно представить бытовым мышлением, они все равно кажутся пародоксальными.
Кстати, конечность и бесконечность Вселенной (или МультиВселенной) тоже сложно представить — если Вселенная конечна, то почему и в каком объеме и что находится за «границей», если бесконечна, тоже сложно представить настоящую бесконечность даже математику.
mad_god
как насчёт «прошлого не существует» и «существует только настоящее, остальное — не настоящее»? Мы наблюдаем смену состояний, но это только иллюзия, мир создаётся как бы и в прошлое и в будущее, у нас остаются воспоминания, но на самом деле ничего не было, а был всегда лишь этот момент. То есть этот. Ну вы поняли.
И между этими моментами могло пройти несколько вечностей, а мог один миг, они связаны (прошлый и текущий) таким порядком, что между ними возможна причинно-следственная связь, мышление, как отражение этого порядка. А остальные вариации возможны, но в них невозможен наблюдатель и мышление и мы не можем их наблюдать и изучать.
Поэтому это могут быть совершенно разные вселенные, возникающие раз за разом и исчезающие на триллиарды лет, но для нас не проходит и секунды.
Хотя да — времени же нет.
vedenin1980
Это попадает в пункт о цикличности времени, где начало и конец запутаны. Вселенные могут возникать и исчезать, но все МультиВселенная должна либо зародиться в какой-то момент из ничего (почему именно в этот момент? Как можно получить Вселенную из ничего), либо сущестовать вечно, либо иметь запутанное время начало и конца (по сути тот же вариант вечной Вселенной, но у которой время может идти в разные стороны и образовывать циклы).
Но все это философия, так как даже если мы получим ответ на этот вопрос, мы скорее всего никогда не сможем доказать, что известная нам МультиВселенная не является лишь частью другой МультиВселенной, соотвественно вопрос начала всего все равно останется 100% не раскрытым.
mad_god
Я не имею ввиду цикличность времени. Я имею ввиду иллюзорность существования, такую, как, например, быстрый показ последовательности кадров, которую мы воспринимаем как фильм. В то время, как объекты на кадрах даже не являются живыми или мыслящими.
Возьмём к примеру единственную планету, на которой нам точно известно, что существует разумная жизнь. В определённые моменты в определённых местах молекулы собираются в уникальные конфигурации и на их основе постепенно образуется личность человека. Я бы сказал, что она берётся из ниоткуда и мгновенно перемещается в пространстве и времени к месту своего тела.
И я допускаю, что сознание не может просто существовать в статике, оставаться в данном месте и времени. Оно тут же перемещается в новую реальность, которая является почти точной копией предыдущей, с небольшими отличиями.
И неважно, где в пространстве и времени расположена эта новая реальность, сколько бесконечностей прошло, пока она снова появилась, сознание будет там.
Представим массив реальностей, отличающихся ненамного друг от друга. И чтобы они все были в одном времени, чтобы нам удобно было за ними наблюдать. Тогда мы увидим как сознание скачет от реальности к реальности, где бы они относительно друг друга не находились.
Из-за того, что сознание может помнить, а реальность по своим правилам это позволяет, сознанию кажется, что было какое-то прошлое.
Jerf
Ну, вообще-то, еще со времен открытия теории относительности мы знаем, что говорить «любой процесс протекает во времени» не совсем корректно. Время — не более чем одна из координат пространства-времени, и более того, какого-то одного выделенного «времени» не существует, все зависит от выбора системы отсчета.
Вот например, вы задумывались о том, что находится в одном метре к северу от северного полюса? Вполне возможно, что вопрос о том, что же было за одну минуту до Большого взрыва, несет в себе ровно столько же смысла.
Anton_Valeryevich
Выражение «в одном метре к северу от северного полюса» приобретает вид «в одном метре к югу от северного полюса». Вопрос о времени до Большого взрыва как видим не лишён смысла. Сколько метров между этими полюсами, что происходит на южном полюсе?
Jerf
С чего бы это? Вопрос поставлен именно так, как он написан, зачем вы его изменяете?
Просто этот вопрос, на самом деле, не имеет смысла, поскольку понятия «к северу» на северном полюсе просто не существует. Но это вовсе не означает, что его нужно тут же заменить на «к югу». Вопрос некорректен, вот и все. И это не связано с какими-то особыми свойствами северного полюса, просто у нас так координаты выбраны. Вполне возможно, что с Большим взрывом и временем ситуация аналогична.
vesper-bot
> вы задумывались о том, что находится в одном метре к северу от северного полюса?
Лед там, толстый, потому что на север от северного полюса — это вниз.
Itiua
Интересно, сколько раз вселенная расширилась и сжалась. Когда то должно было быть самое первое расширение…