Чи можуть частки з'являтися з порожнечі?

Сучасна фізика переживає нелегкі часи.З одного боку лежить квантова теорія, яка визначає пристрій Всесвіту лише на рівні атомів, але в інший – Загальна теорія відносності Ейнштейна (ОТО), за якою простір і час можуть викривлятися під впливом гравітації. Проблема полягає в тому, що окремо і ОТО та квантова механіка працюють чудово, але суперечать постулатам один одного. З цієї причини фізики працюють над створенням єдиної «теорії всього» протягом останніх 90 років. Ось тільки з кожним новим відкриттям питань стає все більше, проте дослідники не залишають спроб докопатися до істини – результати першого у своєму роді експерименту показали, що у викривленій і всесвіті, що розширюється, пари частинок з'являються з порожнього простору. Отриманий у ході моделювання результат знову повертає нас до питання, як щось може виникнути з нічого. Словом, крок уперед і два тому.

Мініатюрний всесвіт показує, що частки можуть виникати з порожнього простору

Звідки беруться частки?

Перший у своєму роді експеримент, що моделюєкосмос з ультрахолодними атомами калію, припускає, що у викривленому, розширюваному всесвіті пари частинок з'являються з порожнього простору. Цей новаторський експеримент покликаний на краще розуміння космічних явищ, виявити які непросто, адже частки можуть виникати з порожнього простору в міру розширення Всесвіту.

У ході роботи фізики з Гейдельберзького університету в Німеччині охолодили понад 20 000 атомів калію у вакуумі, використовуючи для їх уповільнення та зниження температури лазери.

Конденсат Бозе-Ейнштейна дозволяє фізикам керувати атомами

В результаті екстремального охолодження, атоми утворили невелику хмару (шириною приблизно з людського волосся), перетворившись на квантову, схожу на рідину речовину – конденсат Бозе-Ейнштейна.

Коли атоми стають конденсатом Бозе-Ейнштейнаними можна керувати, направивши на них світло, після чого встановити їх щільність, розташування в просторі і те, який ефект вони мають один на одного. Докладніше ми розповідали в одній із попередніх статей, не пропустіть.

По суті, новий експеримент дозволяє змінювативластивості атомів, змушуючи їх слідувати рівнянню, яке у реальному всесвіті визначає її властивості, включаючи швидкість поширення світла та вплив гравітації поблизу масивних об'єктів. Як відзначають автори наукової роботи, це перший експеримент, в якому холодні атоми використовувалися для моделювання викривленого і розширюваного (з прискоренням) Всесвіту.

На мікро рівні Всесвіт виглядає інакше, підкоряючись законам квантової механіки

Коли дослідники направили світло назаморожені атоми, вони рухалися так, наче виникають у справжньому Всесвіті пари частинок. Новий експеримент дозволяє поєднати квантові ефекти і гравітацію, що дивно, тому що фізики не зовсім розуміють, як дві теорії, що суперечать одна одній, поєднуються у всесвіті. Це також означає, що майбутні експерименти можуть призвести до кращого розуміння квантових Всесвіту і, можливо, наблизитися до створення теорії всього.

Більше на тему: Вчені наблизилися до створення нової теорії квантової гравітації

Всесвіт ймовірностей

Наш всесвіт, що розширюється, по суті, єцілком допустимим рішенням рівнянь загальної теорії відносності. Однак швидкість її розширення створює проблеми для квантової механіки - існує безліч можливих станів, в яких можуть бути частинки. Але виникає питання – якщо простір розширюється з дедалі більшою швидкістю, чи зростає кількість частинок у ній? І чи можна отримати щось із нічого?

Припустимо, що перед нами порожній простір —межа фізичного небуття, яка за певних умов та маніпуляціях неминуче призведе до появи чогось. Так, зіткнення двох частинок у безодні порожнього простору може призвести до виникнення пари частка-античастинка. Якщо ми спробуємо відокремити кварки від антикварка, то новий набір пар повинен виникнути з порожнього простору між ними.

Вчені, як і раніше, не можуть пояснити всі закони квантового світу, включаючи квантову заплутаність (її називав моторошною Альберт Ейнштейн)

Теоретично досить сильне електромагнітне поле може вирвати частинки та античастинки з вакууму, навіть без будь-яких початкових частинок або античастинок взагалі, – пояснюють фізики.

На початку 2022 року у простій лабораторнійУстановці, що використовує унікальні властивості графену, були створені сильні електричні поля, що дозволяють мимоволі створювати пари частинка-античастка з нічого. Ви здивуєтеся, але припущення про те, що з порожнечі можна створити щось з'явилися приблизно 70 років тому – тоді ця думка спала на думку до одного із засновників квантової теорії Джуліана Швінгера і згодом отримала підтвердження. Всесвіт дійсно створює щось із нічого.

Ще більше цікавих статей про те, яким законам підпорядковується Всесвіт і що це говорить про нашу реальність, читайте на нашому каналі в Яндекс.Дзен – там регулярно виходять статті, яких немає на сайті!

Це означає, що на фундаментальному рівні внашого всесвіту атоми можна розбити на окремі частинки - кванти, які, проте, далі не розщепити. Те саме вірно як про електрони, нейтрино та їх аналогів з антиречовини. Та ж доля чекає на фотони, глюони та бозони (включаючи бозон Хіггса). Однак, якщо прибрати всі ці частинки, “порожній простір”, що залишився, таким насправді не буде – у багатьох фізичних сенсах.

Так само, як ми не можемо відібрати у Всесвітузакони фізики, ми не можемо відібрати в неї квантові поля, які її пронизують. З іншого боку, незалежно від того, наскільки далеко ми відсунемо будь-які джерела матерії, існують дві сили дальньої дії, наслідки яких все одно залишаться: електромагнетизм та гравітація.

Всесвіт підпорядковується законам гравітації, природу якої фізики, як і раніше, не розуміють

Хоча ми можемо створити хитромудрі установки,що гарантують, що напруженість електромагнітного поля у певній області дорівнює нулю, ми можемо зробити цього гравітації; простір може бути “повністю спустошено” у якомусь реальному сенсі щодо цього.

Чи не пропустіть: Чи може квантова механіка пояснити існування простору-часу?

Щось із нічого

Продемонструвати, що порожній простір нанасправді таким не є завдання трудомістка, але при цьому реальна. Так, навіть якщо створити ідеальний вакуум, позбавлений всіх частинок і античастинок, а електричні та магнітні поля дорівнюють нулю, у вакуумі все ж таки буде присутній щось таке, що фізики можуть назвати, скажімо, "максимальним ніщо".

Так розмірковував Джуліан Швінгер 1951 року, описавшияк (теоретично) можна створити матерію з нічого: для цього потрібно сильне електричне поле. І хоча його колеги пропонували щось подібне у 1930-х роках, саме Швінгер зміг точно визначити необхідні для цього експерименту умови, виходячи з того, що у порожньому просторі так чи інакше є квантові флуктуації, – розповідають фізики.

Частинки можуть виникати із порожнечі.

Вам буде цікаво: Чи був у Всесвіті початок?

Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга,якщо квантові поля існують всюди, то в будь-який вибраний проміжок часу і області простору, буде присутня спочатку невизначена кількість енергії. І чим коротше аналізований нами період часу, тим більша невизначеність у кількості енергії.

Фактично, єдиним місцем, де частинкивиникають із порожнечі – це області у космосі, що оточують чорні дірки та нейтронні зірки. Але на величезних космічних відстанях, що відокремлюють нас від наближених об'єктів, наші припущення залишаються виключно теоретичними.

Всесвіт зберігає безліч таємниць, які нам з вами ще належить розкрити

Це цікаво: Нобелівська премія з фізики 2022: квантова заплутаність та телепортація

Але оскільки ми знаємо, що електрони та позитронибуквально виникають із нічого (вони просто вирвані з квантового вакууму електричними полями) Всесвіт демонструє неможливе. На щастя, існує безліч способів вивчення нашого дивного світу, чи то математика, чи експерименти з графеном (докладніше ми розповідали раніше) чи лазерами. І хоча ми, як і раніше, далекі від істини і створення єдиної теорії всього, сьогодні ми не так уже й мало знаємо про світ, у якому живемо. Чи не так?

Related articles