Природа нулевой энергии.
БИНТИ №8 (2462) ТАСС21.2.90.,с.19-20
Одно из странных предсказаний квантовой теории состоит в том, что каждый кубический сантиметр явно пустого пространства содержит огромное количество энергии. Физики называют эту энергию нулевой, поскольку она существует даже при абсолютном нуле. И хотя теории предсказывают, что нулевая энергия должна существовать, а эксперименты подтверждают, что она есть, физики не могут ответить на вопрос, откуда она берется.
Гарольд Патхофф ( Институт перспективных исследований, Остин, штат Техас) выполнил расчеты, которые показывают, что спектр электромагнитного излучения , связанного с нулевой энергией, может возникнуть сам по себе в процессе, который похож на ловлю котом собственного хвоста.(см.Physical Review A; том 40, стр. 4857).
Нулевая энергия связана со всеми природными полями сил, включая электромагнитные поля. И она появляется совершенно естественно в уравнениях, которые описывают “квантованное” поле, как только физики начинают объединять теорию электромагнетизма с квантовой теорий.
А обычно нулевая энергия не наблюдаема.
Формально физики говорят о бесконечном количестве энергии.
Однако, даже когда они налагают соответствующие ограничения при высоких частотах, то все равно считают, что нулевая энергия сравнима с плотностью энергии атомного ядра.
Физики не сомневаются, что поля, связанные с нулевой энергией, создают физические последствия.
Примером может служить ламбовское смещение спектральных линий атома. В этом случае поля возмущают электрон в атоме, и когда электрон совершает переход из одного состояния в другое, испускается фотон, частота которого несколько “смещена ” от нормальной величины.
Другим измеримым последствием полей, связанных с нулевой энергией, является эффект Казимира, который представляет собой силу, появляющуюся между двумя тесно прижатыми металлическими пластинками. Эта сила возникает благодаря так называемому радиационному давлению нулевой энергии фонового электромагнитного поля.
Однако волн некоторой длины между пластинками нет, и плотность энергии оказывается ниже плотности энергии в пустом пространстве.
Патхофф высказал предположение, что нулевая энергия может генерироваться за счет излучения “квантовых” флуктуаций и рассчитал характеристики излучения заряженных частиц, образованных квантовыми флуктуациями во Вселенной. Все заряженные частицы, испытывающие ускорение, испускают электромагнитное излучение, интенсивность которого обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Однако, поскольку среднее объемное распределение таких частиц в сферических оболочках любого точечного источника пропорционально площади оболочки, т.е. квадрату расстояния, сумма вкладов от окружающих оболочек создает поле излучения с высокой плотностью энергии. Патхофф считает именно таким поле, связанное с нулевой энергией.
Возможно, что поля нулевой энергии управляют движением всех частиц вещества во Вселенной, и, в свою очередь, сумма движений частиц по всей Вселенной генерирует поля нулевой энергии.
Патхофф рассматривает такое явление как “самовосстанавливающийся космологический цикл с обратной связью”.
В его расчетах допускается так называемая инфляционная космология — популярная в настоящее время теория происхождения Вселенной.
Патхофф предсказал распределение частот и порядок величин нулевой энергии и подтвердил гипотезу о том, что поля нулевой энергии генерируются динамическим путем.
Он получил математическое выражение, которое связывает плотность нулевой энергии с такими факторами, как средняя плотность вещества во Вселенной и размерами Вселенной. Это выражение также является точным выражением для наблюдаемого “космологического совпадения”, впервые обнаруженного П.Дираком.
Такое совпадение связано с тем, что отношение интенсивностей электромагнитной силу между электроном и протоном к гравитационной силе между такими же частицами очень близко к отношению расстояния Хаббла к размеру электрона.
Согласно данным, полученным Патхоффом, такое Космологическое совпадение является следствием космологического механизма, который генерирует нулевую энергию.
“New Scientist” (Англия), том 124, № 1693, 2 декабрь 1989 г.
Источник
Вселенная с нулевой энергией — Zero-energy universe
Вселенная нулевой энергии гипотеза предполагает , что общее количество энергии в Вселенной ровно нулю : ее количество положительной энергии в виде материи точно уравновешена своей отрицательной энергией в виде гравитации . Некоторые физики, такие как Лоуренс Краусс , Стивен Хокинг или Александр Виленкин , называют это состояние «вселенной из ничего», хотя модель вселенной с нулевой энергией требует существования как поля материи с положительной энергией, так и гравитационного поля с отрицательной энергией. . Гипотеза широко обсуждается в популярных источниках.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Во время Второй мировой войны , Паскуаль Иордан первым предположил , что , поскольку положительная энергия массы звездочки и отрицательная энергия ее гравитационного поле вместе могут иметь нулевую полную энергию, сохранение энергии не помешает звезде создается с помощью квантового перехода вакуума. Джордж Гамов рассказал об этой идее Альберту Эйнштейну : «Эйнштейн остановился как вкопанный, и, поскольку мы переходили улицу, нескольким машинам пришлось остановиться, чтобы нас не сбить». Разработка концепции шла медленно, первые заметные вычисления были выполнены Ричардом Фейнманом в 1962 году. Первая известная публикация по этой теме была в 1973 году, когда Эдвард Трайон в журнале Nature предположил, что Вселенная возникла в результате крупномасштабной квантовой флуктуации. из вакуумной энергии , что приводит к его положительной масс-энергии, в точности уравновешивается ее отрицательной гравитационной потенциальной энергии . В последующие десятилетия развитие концепции постоянно затруднялось зависимостью расчетных масс от выбора систем координат. В частности, проблема возникает из-за энергии, связанной с системами координат, вращающимися вместе со всей Вселенной. Первое ограничение было получено в 1987 году, когда Алан Гут опубликовал доказательство того, что гравитационная энергия отрицательна по сравнению с массой-энергией, связанной с материей. Вопрос о механизме, позволяющем генерировать как положительную, так и отрицательную энергию из нулевого начального решения, не был понят, и специальное решение с циклическим временем было предложено Стивеном Хокингом в 1988 году.
В 1994 году развитие теории возобновилось после публикации работы Натана Розена , в которой Розен описал частный случай замкнутой вселенной. В 1995 году JV Johri продемонстрировал, что полная энергия вселенной Розена равна нулю в любой вселенной, соответствующей метрике Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера , и предложил механизм генерации материи, вызванной инфляцией, в молодой Вселенной. Решение с нулевой энергией для пространства Минковского, представляющего наблюдаемую Вселенную, было предоставлено в 2009 году.
Экспериментальные ограничения
Экспериментальное доказательство того, что наблюдаемая Вселенная является «вселенной с нулевой энергией», в настоящее время неубедительно. Гравитационная энергия видимого вещества составляет 26–37% от наблюдаемой полной плотности массы-энергии. Следовательно, чтобы подогнать концепцию «вселенной с нулевой энергией» к наблюдаемой Вселенной, необходимы другие резервуары отрицательной энергии, помимо гравитации из барионной материи. Эти резервуары часто считаются темной материей .
Источник
Суммарная нулевая энергия Вселенной
Теория современной физики показывает, что наша удивительная Вселенная имеет нулевую энергию.
Теория Большого взрыва при создании Вселенной предполагает что материя, антиматерия и фотоны производились силой ложного вакуума, которая высвобождалась после фазового перехода.
Известно, что все частицы состоят из положительной энергии. Она, точно уравновешивается отрицательной гравитационной силой всего остального.
Другими словами нулевая энергия Вселенной доказуема и равна нулю!
Первооснова всего сущего
Примечательно, что Вселенная состоит, по сути, из ничего, кроме (к счастью для нас) положительной и отрицательной частей.
Можно легко видеть, что гравитация связана с отрицательной свободной энергией: если уронить шар из состояния покоя (определяемого как состояние нулевой энергии), он получает движение (кинетическую) при падении. Но эта сила точно уравновешивается большей отрицательной гравитационной силой по мере приближения к центру Земли, поэтому сумма двух энергий остается нулевой.
Идея Вселенной с нулевой энергией или нулевая энергия Вселенной вместе с теорией расширения предполагает, что все, что нужно, – это всего лишь крошечный толчок, чтобы начать свое развитие (то есть крошечный объем в котором может начаться расширение). Затем всё поддалось закону расширения Вселенной, но без создания чистой энергии.
Что производило энергию до Большого взрыва? Это, пожалуй, главный вопрос.
Как бы безумно это ни казалось, всё не могло возникнуть из ничего! Значение слова “ничего” здесь несколько неоднозначно.
Это может быть вакуум в некотором ранее существовавшем пространстве и времени, или это может быть вообще ничего – то есть все понятия пространства и времени были созданы самой Вселенной.
Квантовая теория возникновения
Квантовая теория, и в частности принцип неопределенности Гейзенберга, дают естественное объяснение тому, как эта сила могла возникнуть из ничего. По всей Вселенной частицы и античастицы спонтанно формируются и быстро аннигилируют друг друга, не нарушая закон сохранения энергии. Эти спонтанные рождения и смерти так называемых пар виртуальных частиц известных как ” квантовые флуктуации”. Действительно, лабораторные эксперименты доказали, что квантовые флуктуации происходят везде и всегда. Виртуальные пары частиц (например, электроны и позитроны) непосредственно влияют на энергетические уровни атомов, и предсказанные энергетические уровни не совпадают с экспериментально измеренными уровнями, если не учитывать квантовые флуктуации.
Возможно, многие квантовые флуктуации произошли до рождения всего. Большинство из них быстро исчезли. Но один из них прожил достаточно долго и имел необходимые условия для инициирования Большого взрыва. После этого первоначальный крошечный объем раздулся огромным фактором, и родилась наша макроскопическая Вселенная.
Первоначальная пара частиц-античастиц (или пар), возможно, впоследствии уничтожила друг друга, но даже если бы они этого не сделали, нарушение сохранения энергии было бы незначительным, недостаточно большим, чтобы быть измеримым.
Если эта, по общему признанию, умозрительная гипотеза верна, то нулевая энергия вселенной имеет место! Она появился из ничего, и если общая энергия равна нулю, но тем не менее, имеет невероятную структуру и сложность. Может быть, есть даже много других подобных миров, пространственно отличных от нашего.
Источник
Как из нулевой энергии Ничто могла произойти Вселенная? Хроника великого перехода
Поделиться:
Голый факт существования мира в противоположность несуществованию Ничто в постхристианской картине мира был бы менее загадочен, если бы этот мир, по сравнению с другими возможными реальностями, чем-то выделялся на их фоне. Например, космос существует, потому что удовлетворяет абстрактную потребность в добре, простоте или красоте. С точки зрения такого платоновского представления, и человек должен быть здесь, потому что его существование добавляет немного добра (или красоты, или элегантности) в сумму космических возможностей. Любая такая особенность, выделяющая именно этот мир в качестве существующего, придала бы человеческой жизни смысл как необходимому элементу этого мира. У жизни была бы высшая космическая цель: быть как можно лучше этически, или как можно более поэтичным, или как можно более элегантным (вспомним книгу Брайна Грина «Элегантная Вселенная») или что-то еще.
Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой замороженную энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запасенной в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется в Большом сжатии) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга – это показывают математические расчеты. Другими словами, полная энергия такой Вселенной равна нулю. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Да, это трудно понять классическому разуму.
Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. Но весь точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную — и противоречивую, в духе Георга Гегеля — возможность. Допустим, полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как диктует принцип Вернера Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно.
Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна: быть равной нулю она никак не может. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой и инфляционной квантовой космологией – точнее, в квантовом мире пустота неустойчива, или же ее попросту не существует.
Если мы не можем вообразить абсолютную пустоту (за исключением разве что сна без сновидений), означает ли это, что всегда должно обязательно существовать Что-то? Необходимо остерегаться склонности принимать недостаток воображения за проникновение в истинную сущность бытия. Во Вселенной не только возможно, но и действительно существует многое из того, что лежит за пределами возможностей нашего воображения. Например, мы не можем представить себе объект, не имеющий цвета, однако фотоны, электроны и атомы бесцветны (они даже не серые). Большинство из нас не могут вообразить искривленным само пространство (объекты могут). Тем не менее теория относительности Эйнштейна утверждает, что мы на самом деле живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, которое нарушает законы евклидовой геометрии.
Не все философы разделяют убеждение, что пустое пространство есть Нечто. Среди них существуют по крайней мере два альтернативных взгляда на его природу. Субстантивный взгляд относится к Ньютону и считает пространство чем-то реальным, что имеет присущую ему геометрию и будет продолжать существовать, даже если все его содержимое исчезнет. Противоположный реляционистский взгляд восходит к сопернику Ньютона Лейбницу и полагает, что пространство не существует само по себе, а есть лишь сплетение взаимосвязей между объектами. С точки зрения Лейбница, пространство неспособно существовать без связываемых им объектов, как не может существовать улыбка Чеширского кота без самого кота.
Если пространство есть настоящая космическая сцена, существующая сама по себе, тогда она сможет пережить и исчезновение ее материального содержимого, даже если все исчезнет. Однако если пространство объективно существует, то должна существовать его геометрическая форма. Она может быть безграничной протяженности, но может быть и ограниченна, при этом не имея границы. Как, например, поверхность футбольного мяча является конечным двухмерным пространством, при этом не имеющим границы. Подобное «замкнутое пространство-время» не противоречит теории относительности Эйнштейна. В самом деле, Стивен Хокинг и другие ученые полагают, что пространство-время Вселенной является конечным и неограниченным, подобно поверхности футбольного мяча, только с большим числом измерений. Тогда несложно мысленно уничтожить пространство-время вместе со всем его содержимым. Просто представьте себе, что мяч сдувается или, скорее, уменьшается в размерах. Перед вашим мысленным взором конечный радиус мяча-вселенной становится все меньше, пока не достигает нуля. Теперь арена пространства-времени исчезла, оставив только абсолютное Ничто, или не оставив ничего.
Если пространство-время представляет собой не реальную сущность, а лишь набор взаимосвязей между объектами, то оно исчезнет вместе с этими объектами и поэтому не является препятствием для существования Ничто. Если же пространство-время есть нечто реальное, имеющее свою собственную структуру и сущность, то его можно «мысленно уничтожить», подобно всей остальной Вселенной.
В физике «Нечто» определяется количеством энергии. Даже материя, как показывает самое знаменитое уравнение Эйнштейна, является лишь застывшей энергией. С точки зрения физики, пространство максимально пусто тогда, когда оно лишено энергии. Допустим, что мы попытались удалить всю энергию из некой области пространства. Другими словами, мы попытались перевести эту область в состояние с минимальной энергией, известное как «вакуумное состояние». В какой-то момент в процессе откачки энергии произойдет событие, противоречащее здравому смыслу: спонтанно возникнет нечто, называемое «поле Хиггса». И от поля Хиггса избавиться нельзя, потому что его вклад в полную энергию той области пространства, которую мы стараемся опустошить, на самом деле отрицателен: поле Хиггса – это Нечто, содержащее меньше энергии, чем Ничто. Существование поля Хиггса сопровождается игрой «виртуальных частиц», которые непрестанно возникают и исчезают. Пространство в вакуумном состоянии оказывается весьма оживленным местом.
Тогда как насчет прямого перехода от мира Нечто к пустоте? Физически это тоже невозможно, потому что, например, уничтожение пары электрон – позитрон нарушает другой фундаментальный закон физики – закон сохранения энергии. Вместо уничтоженной пары по законам физики неизбежно должно будет появиться что-то еще – фотон или другая пара частица – античастица.
Как мы видим, не так-то просто перейти от Нечто к Ничто. Приближение всегда немного не достигает предела, всегда оставляя что-то из сущего, каким бы крохотным оно ни было. Впрочем, что же здесь удивительного? Чтобы успешно перейти от Нечто к Ничто, нужно разгадать загадку бытия в обратную сторону: любой логический переход из одного в другое должен быть двунаправленным. Если нам кажется, что легче вообразить переход от Нечто к Ничто, чем наоборот, то это потому, что начальная и конечная точки заранее известны. Переход от Ничто к Нечто выглядит более таинственным, потому что никогда не знаешь, что получится в результате – что остается верным на космическом уровне.
Большой взрыв – физический переход от Ничто к Нечто – происходит не только невообразимо быстро, но и без каких-либо присущих ему внутренних законов. Как говорит современная физика, в принципе невозможно достоверно предсказать, что может получиться из голой сингулярности. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной — только как она развивалась позже. Все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.
Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали применять квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, ко всей Вселенной в целом. То, что квантовая теория (а за ней и квантовая космология) разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из Ничто? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.
Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, предшествовавшая Большому взрыву – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной неопределенностью, квантовой размытостью, которую проще всего показать на примере облачков электронов, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.
В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего.
Если Вселенная, по законам инфляционной космологии, может иметь бесконечное множество предысторий, но развивалась именно так, что в результате появились мы, не предполагает ли это цели, направленности, высшего Замысла? Сильный антропный принцип настаивает на неизбежном развитии Вселенной до появлению человека. Слабый останавливается на том, что вполне может существовать бесконечное множество предысторий нашей Вселенной (а также других Вселенных), но мы живем в той, которая допускает существование человека.
Является ли пустота одной из возможных реальностей, в которую бы мог воплотиться мир? И что насчет Абсолютной пустоты, полного отсутствия всего? Некоторые философы утверждают, что пустота невозможно, поскольку эта идея сама себе противоречит. Если они правы, то загадка бытия («Почему существует «Нечто, а не Ничто?») имеет легкое и довольно понятное решение: Нечто существует, раз оно уже существует, и существует потому, что Ничто существовать не может.
Я тоже разделяю изумление фактом существования мира и своего собственного существования – да и тем, что Вселенная как-то произвела те самые мысли о Ничто. Тем самым изумление, которое я испытываю от невероятности своего существования, имеет любопытную противоположность: мне трудно вообразить полное отсутствие моего «я». Почему же так трудно представить мир, в котором меня нет, в котором я никогда не появился на свет?
Источник