Filozofi tūkstošiem gadu ir diskutējuši par “neko”, “neko”, “neko”, “tukšumu” būtību, bet ko mūsdienu zinātne var pateikt par to? Uz šo jautājumu atbildēs Martins Rīss, Karaliskās biedrības astronoms un Kembridžas universitātes kosmoloģijas un astrofizikas emeritētais profesors. Viņš skaidro, ka tad, kad fiziķi diskutē par “neko”, tie nozīmē tukšu vietu (vakuumu). Tas var šķist pavisam parasts, taču eksperimenti parāda, ka tukša telpa patiesībā nav tukša - tā satur noslēpumainu enerģiju, kas mums var kaut ko pastāstīt par Visuma likteni.
Intervija ar Martinu Rīsu, ko piedāvā žurnāls The Conversation.
Vai tukša vieta ir tāda pati kā nekas?
Tukšā telpa mums šķiet nekas. Pēc analoģijas ūdens zivīm var šķist "nekas" - tas ir ūdens, kas paliek, noņemot visu pārējo, kas peld jūrā. Tādā pašā veidā tukša vieta praksē izrādās diezgan sarežģīta.
Mēs zinām, ka Visums ir ļoti tukšs. Vidējais kosmosa blīvums ir apmēram viens atoms uz katriem desmit kubikmetriem - vide ir daudz retāk sastopama nekā jebkurš vakuums, ko mēs varam iegūt uz Zemes. Bet pat noņemot visu matēriju, telpai ir sava veida elastība, kas (kā nesen tika apstiprināts) ļauj gravitācijas viļņiem - pašas telpas ripples - izplatīties pa to. Turklāt mēs uzzinājām, ka tukšā telpā ir eksotiska enerģijas forma.
Pirmoreiz par šo vakuuma enerģiju uzzinājām 20. gadsimtā, parādoties kvantu mehānikai, kas izskaidro atomu un daļiņu uzvedību mazākajā mērogā. No tā izriet, ka tukša telpa sastāv no fona enerģijas svārstību lauka - kas dzīvībai piešķir viļņus un virtuālās daļiņas, kuras šad un tad parādās un pazūd nekurienē. Viņi pat var radīt niecīgu spēku. Bet kā ar balto telpu plašā mērogā?
Fakts, ka tukša telpa rada liela mēroga spēku, tika atklāts pirms 20 gadiem. Astronomi ir noskaidrojuši, ka Visuma paplašināšanās paātrinās. Tas bija pārsteigums. Izplešanās ir bijusi zināma vairāk nekā 50 gadus, taču visi domāja, ka izplešanās palēnināsies gravitācijas spēka dēļ, ko galaktikas un citas struktūras izdara viena otrai. Tātad visiem bija liels pārsteigums, ka palēninājumu gravitācijas dēļ kompensēja kaut kas, kas “virzīja” izplešanos. Izrādījās, ka pašā tukšā telpā ir enerģija, kas rada sava veida atgrūšanos, kas atsver smaguma pievilcību šajos lielajos mērogos. Šī parādība - tumšā enerģija - ir neticamākā izpausme tam, ka tukšā telpa nav saburzīta vai tukša. Turklātšis fakts nosaka mūsu Visuma tālāko likteni.
Reklāmas video:
Vai ir kāds ierobežojums tam, ko mēs varam mācīties? Ja triljons triljonu reižu ir mazāks par atomu, kvantu svārstības kosmosa laikā var radīt ne tikai virtuālas daļiņas, bet arī virtuālus melnos caurumus. Tas ir tajās robežās, kuras mēs nevaram novērot un saprast, kas vismaz hipotētiski ir jāapvieno gravitācijas teorija ar kvantu mehāniku - un tas ir neticami grūti.
Lai to saprastu, ir vairākas teorijas, no kurām slavenākā ir stīgu teorija. Bet neviena no šīm teorijām vēl nav saistīta ar reālo pasauli - tāpēc tās joprojām ir nepamatotas. Es domāju, ka gandrīz visi atzīs, ka telpai pašai ir sarežģīta struktūra niecīgā mērogā, kur satiekas gravitācijas un kvantu efekti.
Mēs zinām, ka mūsu visumam ir trīs telpiskās dimensijas: jūs varat pārvietoties pa kreisi un pa labi, uz priekšu un atpakaļ, uz augšu un uz leju. Laiks ir kā ceturtā dimensija. Tomēr pastāv nopietnas aizdomas, ka, paplašinot nelielu punktu telpā, līdz jūs sajūtat šo niecīgo mērogu, jūs redzēsit, ka tas būs blīvi saspiests origami ar piecām papildu dimensijām, ko mēs nevaram redzēt. It kā tu skatītos uz šļūteni no tālienes un domātu, ka tā ir tikai līnija. Pārejot tuvāk, jūs redzētu, ka viena dimensija būtībā ir trīs. Stīgu teorijā ietilpst sarežģīta matemātika, tāpat kā konkurējošās teorijās. Bet tā ir tieši teorija, kas mums vajadzīga, ja mēs dziļākajā līmenī gribam saprast tukšumam vistuvāko lietu, ko var iedomāties: acīmredzami tukša vieta.
Kā mēs pašreizējā izpratnē varam izskaidrot, ka viss mūsu Visums izplešas no nekā? Vai tas tiešām varēja sākties ar nelielām vakuuma enerģijas svārstībām?
Dažas noslēpumainas pārejas vai svārstības pēkšņi varētu novest pie tā, ka daļa telpas sāka paplašināties, kā uzskata daži teorētiķi. Kvantu teorijai raksturīgās svārstības varētu satricināt visu Visumu, ja tas būtu saspiests līdz pietiekami mazam mērogam. Tam vajadzēja notikt apmēram 10 (līdz -44) sekundēs - tas ir Planka laiks. Šajos mērogos laiks un telpa ir savstarpēji saistīti, tāpēc atzīmēt pulksteni nav jēgas. Mēs varam ekstrapolēt savu Visumu ar lielu noteiktības pakāpi atpakaļ uz nanosekundi un ar lielu varbūtības pakāpi mēs atgriezīsimies tuvāk Planka laikam. Bet pēc tam mūsu minējumi vairs nav spēkā - fizika šajā mērogā tiek aizstāta ar citu, sarežģītāku teoriju.
Ja varētu būt, ka svārstības kādā nejaušā tukšās telpas daļā atdeva dzīvību Visumam, kāpēc tas pats nevar notikt ar citu tukšās telpas daļu - un dot dzīvību paralēlajiem Visumiem bezgalīgā multiversā?
Ideja, ka mūsu lielais sprādziens nav vienīgais un ka tas, ko mēs redzam caur mūsu teleskopiem, ir niecīgs fiziskās realitātes gabals, ir diezgan populāra fiziķu vidū. Un cikliskā Visuma versiju ir daudz. Tikai pirms 50 gadiem parādījās pārliecinoši pierādījumi tam, ka Lielais sprādziens pat notika. Bet kopš tā laika ir bijušas spekulācijas, ka viņš varētu būt tikai epizode cikliskajā Visumā. Pastāv arī tendence saprast, ka fiziskā realitāte ir daudz vairāk nekā telpas un laika apjoms, ko mēs varam sajust pat ar visspēcīgākajiem teleskopiem.
Tāpēc mums nav ne jausmas, vai bija viens lielais sprādziens vai bija daudz - ir scenāriji, kas paredz daudzus lielos sprādzienus, un scenāriji, kas paredz vienu. Es domāju, ka mums vajadzētu tos visus izpētīt.
Kāds ir Visuma gals?
Vienkāršākā tālākās nākotnes prognoze ir tāda, ka Visums turpinās paplašināties arvien ātrāk un ātrāk, kļūstot vēsāks un tukšāks. Tajā esošās daļiņas var sadalīties, bezgalīgi izšķīstot tukšumā. Mēs varam atrasties milzīgā kosmosa apjomā, taču tā būs vēl tukša, nekā šobrīd ir kosmosā. Šis ir viens no scenārijiem. Ir citi, kas prognozē tumšās enerģijas virziena "apvērsumu" no atgrūšanas līdz piesaistei, kā rezultātā mēs tiksim saspiesti blīvā punktā.
Pastāv arī Rodžersa Penroza ideja, ka Visums turpinās paplašināties, kļūstot arvien atšķaidītākam, taču kaut kā - kad tajā nav nekā, izņemot fotonus, gaismas daļiņas - tajā esošie objekti tiks pārkalibrēti un telpa savā ziņā kļūs par jauna lielā sprādziena ģeneratoru. … Šī būs ļoti eksotiska vecā cikliskā visuma versija, bet, lūdzu, nelūdziet man izskaidrot Penrose idejas.
Cik pārliecināts jūs esat, ka zinātne kādu dienu atklās noslēpumu, kas tas ir “nekas”? Pat ja mēs varētu pierādīt, ka Visums ir radies no dīvainām svārstībām vakuuma laukā, vai mums nevajadzētu brīnīties, no kurienes radās šis vakuuma lauks?
Zinātne mēģina sniegt atbildes, taču katru reizi, kad tās atrodam, rodas jauni jautājumi - mums nekad nebūs pilnīgas ainas. Kad 1960. gadu beigās sāku veikt pētījumus, radās šaubas, vai vispār pastāv Lielais sprādziens. Tagad vairs nav šaubu, un mēs ar aptuveni 2% precizitāti varam teikt, ka Visums 13,8 miljardu gadu laikā bija vienāds līdz pat pirmajai nanosekundi. Tas ir liels progress. Ir smieklīgi optimistiski domāt, ka nākamajos 50 gados mēs sakārtosim sarežģītos jautājumus par to, kas notiek kvantu jeb "inflācijas" laikmetā.
Bet, protams, rodas vēl viens jautājums: cik zinātne būs saprotama cilvēka smadzenēm? Var būt, ka stīgu teorijas matemātika savā ziņā ir pareizs realitātes apraksts, taču mēs nekad to nevaram saprast pietiekami labi, lai pārbaudītu to pret jebkādu patiesu novērojumu. Tad mums var nākties gaidīt, kad parādīsies daži cilvēki pēc kārtas, lai iegūtu pilnīgāku izpratni.
Iļja Khel
