Как ложный вакуум уничтожит Вселенную
Недавно от подписчиков я получил два вопроса:
Можете объяснить, что такое ложный вакуум и чем он отличается от истинного? Что опасного в распаде ложного вакуума? Как он может уничтожить Вселенную?
Давайте разберёмся в этих вопросах вместе.
Что же такое ложный вакуум?
Сама гипотеза о существовании двух видов вакуума возникла в 70-х годах прошлого века, но развитие получила гораздо позже в работах Стивена Хокинга. Обычно под словом вакуум люди понимают пространство, в котором отсутствует вещество или его чрезвычайно мало, но, с точки зрения физики, это не так.
Вакуум в физике означает отсутствие не только обычного вещества, но и, вообще, чего бы то ни было: полей, нейтрино и тд. Если мы возьмём контейнер и откачаем из него все частицы воздуха, то в нём всё равно останутся электромагнитные поля от радиовышек, далёких звёзд и реликтового излучения; его будут прошивать триллионы нейтрино и частицы галактических лучей, но, допустим, что мы смогли это всё убрать и получить пустой контейнер.
Казалось бы, вот он вакуум, в котором ничего нет и энергия в этом пространстве должна быть нулевой, но не тут-то было. Дело в том, что во Вселенной есть множество вещей, которые принципиально невозможно убрать из нашего контейнера. К ним относятся квантовые флуктуации, на микроуровне вакуум постоянно кипит, там рождаются и аннигилируют частицы, такое кипение является свойством самого вакуума и его невозможно остановить.
Тёмная энергия, по всей видимости, является свойством самого пространства и от неё так же не спрятаться, поле Хиггса пропитывает всю Вселенную и от него не защитится. Вдобавок к этому во Вселенной могут быть и другие поля о существовании которых мы возможно даже не знаем. В результате энергия внутри контейнера будет ненулевой, такое состояние когда-то назвали истинным вакуумом.
Но практически сразу же учёные одумались, ведь что если где-то тёмной энергии меньше или поле Хиггса имеет другие свойства или же вакуум слабее кипит и там энергия вакуума будет меньше? Это значит, что наш вакуум ложный (на рис. вакуум А), а где-то может существовать истинный вакуум (на рис. вакуум Б) с более низким значением энергии.
Мы бы могли жить спокойно и даже не подозревать о существовании ещё одного вакуума, если бы не одна маленькая проблема. Во Вселенной всё стремится к минимуму энергии, а значит ложный вакуум стремится перейти в истинный. В обычных условиях это произойти может произойти лишь через квантовое тонелирование, однако, такой сценарий имеет крайне низкую вероятность, ведь вакуумы разделены высоченными и толстыми энергетическими «горами», но вот если в точку пространства зарядить побольше энергии (Чумака не предлагать), приблизительно 100 млн ТеВ по расчётам Хокинга, то ложный вакуум в этой точке может перескочить в истинный.
И перескочит он не сам, а потянет за собой соседей и на скорости света этот переход будет распространяться по Вселенной. Как только вакуум будет переходить в истинный, его свойства будут меняться неизвестным образом, а с ними будут меняться и законы физики. Возможно, что вещество при контакте с истинным вакуумом будет рассыпаться на кварки или моментально аннигилировать, возможно, оно тут же затвердеет и превратится твёрдое тело, точный сценарий науке неизвестен, но ясно, что Вселенная не будет такой, как прежде. В любом случае такой конец света не будет ни страшным, ни болезненным, мы не сможем узнать о нём заранее, а когда он придёт то даже не успеем ничего почувствовать ибо мгновенно исчезнем.
Подобный переход будет распространяться со скоростью, не превышающей световую, а значит если он случится лишь в одной точке Вселенной, то он не сможет поглотить её всю, это связано с ускоренным расширением Вселенной. Переход ложного вакуума в истинный уничтожит лишь часть Вселенной, до которой успеет добраться за время её существования.
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube . Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!
Источник
Вакуум — не всегда пустота, и почему благодаря вакууму существует Вселенная
Начну с самого главного — пустоты во Вселенной нет, а то, что мы в быту называем вакуумом не всегда является пустым пространством. Представьте себе бутылку, ещё недавно заполненную водой. Затем жидкость выливают, и вот перед нами сосуд, в котором ничего нет. Можно сказать, что он пустой и в этом есть доля правды, если мы просто задались вопросом, сколько бутылка весит. С точки зрения одного из разделов физики, механики, ошибки в терминах нет. Но в бутылке не вакуум, ведь в ней остаются молекулы воздуха. Тогда постараемся удалить из сосуда как можно больше вещества — и если давление внутри станет гораздо ниже атмосферного, то по правилам техники и прикладных наук мы всё же устроили вакуум. Это будет очень приближённым описанием состояния — в космосе на каждый кубический дециметр, то есть литр пространства, приходится множество молекул и опять вакуум окажется не абсолютным.
Впрочем, не буду затягивать вступление, хотя без него никак. «Истинным» вакуумом считается некое состояние пространства, имеющее минимальные значения энергии. Даже если вы убрали из бутылки вообще все молекулы, то на самом микроскопическом уровне, таком, что сравним с размерами атомов, в ней всё равно существуют поля. Вы наверняка сталкивались с проявлениями полей в обычном, макроскопическом мире, мире вещей гораздо больших, чем элементарные частицы. Например, если пытаться совместить магниты одинаковыми полюсами, то явно можно почувствовать сопротивление. При этом, проведя между магнитами листом бумаги или пластмассовой ручкой, можно убедиться, что никакого особого веществами в зазоре нет, а сила отталкивания всё равно существует. То есть, поле проявляет себя в виде некоторого взаимодействия, которому не нужно вещество для передачи на расстояние.
В квантовом мире всё чуть сложнее, и перед нами один из феноменов квантового поля. Благодаря ему,можно ввести понятие физического вакуума.
Точное определение вакуума на данный момент достаточно простое — это поле с минимальным значением энергии или, что точнее, с наименее низким энергетическим состоянием. Давайте прибегнем к сравнению, хоть и не совсем логичному: описываемое состояние можно представить как поверхность пруда в безветренную погоду. Она кажется гладкой и ровной,а когда вы приглядитесь, то увидите небольшие вздрагивания и волны, вызванные едва ощутимыми внутренними процессами. Такое состояние для воды будет считаться состоянием с минимальной энергией. То же и с вакуумом.
При этом, вакуумов несколько, в зависимости от того, как «вздрагивают» наши поля. Стоит вакууму немного увеличить энергию, как образуются высокоэнергетические участки, словно всплески на воде. Эти состояния называют ложными вакуумами. Существуют они очень недолго, ибо крайне нестабильны и стремятся отдать лишнюю энергию. В процессе распада такого вакуума образуются элементарные частицы, из которых затем складываются атомы.
Наш мир формально создаёт пустота. Которой в бытовом смысле слова вообще нет.
Уважаемые борцы со всемирным научным заговором и эмоционально несдержанные читатели, ваши комментарии неизбежно удаляются. Даже не тратьте время.
Источник
Кипящий вакуум это вселенные
По представлениям современной науки, реальный (физический) вакуум — это не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. В настоящее время экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум — среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменения состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно — путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства. Это утверждение отражает тот факт, что вакуум является характеристикой самого пространства — времени.
Вакуум представляет собой сложный физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей некоторой энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.
Представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет такое выражение: ΔE · Δt > h. Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так, что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков, — виртуальных частиц.
Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей — тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум поляризуется внешним полем, и поле может порождать из вакуума пары различных частиц, причем легче всего рождаются самые легкие, т.е. электронно-позитронные пары. Такие пары интенсивно порождаются в поле с напряженностью E0, работа которого на расстоянии комптоновской длины волны l=ћ/mc≈3∙10 -11 см порядка энергии покоя пары равной 2mc 2 ≅10 6 эВ, т.е. А=F·l=eE0· 
. Отсюда для нахождения образования одной частицы можем написать eE0 ћ/mc≅ mc 2 или E0 ≅ 
≅3·10 16 В/см.
Пары достаточно быстро, хотя и не в катастрофическом темпе, могут рождаться и в более слабых полях. Поэтому достижение полей, например с E0 ≅10 14 В/см уже позволило бы, вероятно, наблюдать рождение пар в вакууме.
Вакуум поляризуется не только сильным электрическим полем, но и магнитным полем, причем характерное значение напряженности магнитного поля Н0 такое же, как и для электрического поля Е0. В магнитном поле с напряженностью более Н0 вакуум ведет себя подобно нелинейной анизотропной среде и сильно влияет на распространение электромагнитных волн.
Уравнения, которые открыл Дирак, показывают, что в природе существуют частицы с положительной энергией — электроны и античастицы — позитроны, энергия которых отрицательна. Они рождаются парами электрон-позитрон из физического вакуума. Сам же вакуум представляет собой некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов. В среднем физический вакуум не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик. Однако в малых пространственных областях (порядка 10 — 33 см) вакуума значения физических характеристик могут стать отличными от нуля — на малых расстояниях вакуум спонтанно флуктуирует. В вакууме постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, в малых пространственно-временных областях вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении. Такая жидкость описывается уравнениями квантовой гидродинамики и, естественно, обладает упругими свойствами.
Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из соотношения неопределенности и закон сохранения массы-энергии можно рассчитать промежуток времени, соответствующий массе электрона: Δt=10 -21 с. Смысл этих расчетов с точки зрения классической механики кажется безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за это время из него рождались электроны — и все прочие элементарные частицы.
Такие частицы назвали виртуальными. Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль вполне заметно влияют на различие свойства материи (магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов и др.) Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» — совершенно реальный феномен.
В 1980 г. А.Е. Акимов предложил новую теоретическую модель квантового вакуума. В основу этой модели он положил два постулата. Во-первых, предполагается, что каждый элемент Вселенной — независимо от того, содержит он материальные тела или их там нет, — заполнен свертками из круговых волн электронов и позитронов. Такая свертка, очевидно, обладает нулевым суммарным зарядом; равен нулю у нее и спин, т.к. спины образующих ее частиц направлены навстречу друг к другу.
Второй постулат состоит в том, что нулю равна и суммарная масса свертки. Это следствие закона сохранения массы-энергии при образовании свертки ее масса преобразуется в энергию пары гамма-квантов. Акимов предложил называть эту квантовую систему, имеющую нулевые значения массы, заряда и спина, фитоном. Заметим, что предсказание о неизбежности взаимной аннигиляции электрона и позитрона при их встрече следует из релятивистской теории Дирака.
Фитонная модель квантового вакуума позволяет по-новому объяснить возникновение фундаментальных взаимодействий. Поставим мысленный эксперимент — поместим заряженное электрически тело в фитонный вакуум. Следствием этого будет зарядовая поляризация фитонов, электрические заряды, образующие свертку, уже не будут полностью компенсировать друг друга, а немного сместятся в направлении внешнего поля. Каждая частица начнет раскачиваться вверх и вниз относительно уровня минимальной энергии. Такую зарядовую поляризацию фитонного вакуума можно интерпретировать как электромагнитное поле.
Если в качестве источника возмущения вакуума выбрать не заряд, а массу, то система фитонов приобретет продольную спиновую ориентацию, которая будет соответствовать гравитационному полю. А что произойдет, если источником возмущения будет тело, создающее угловой момент вращения, например, детская игрушка — волчок? Вакуум немедленно отзовется на это — произойдет поперечная спиновая ориентация фитонов.
Оказывается, таким образом, что электромагнитное поле можно понимать как зарядовую поляризацию вакуума, а гравитационное — как продольные упорядоченные по спину состояния фитонов. В третьем эксперименте мы получили принципиально новый тип фундаментальных взаимодействий — кручение вакуума. Этот тип взаимодействий получила название торсионного (torsion означает кручение).
Существование торсионных полей еще в 1922 г. постулировал Э. Картан. Однако в его теории не учитывались спиновые эффекты и, кроме того, его уравнения не содержали угловых координат. Поэтому он не смог правильно оценить константу этих взаимодействий. Эта задача была в 1980-х годах решена Г.И. Шиповым, который разработал теорию физического вакуума, используя геометрию ученика Г. Римана Ричча, содержащую угловые координаты. Теория Шипова не содержит ограничений на величину константы торсионных взаимодействий. Факт существования в природе этого нового типа полей к настоящему времени подтвержден в многочисленных экспериментах.
Физические свойства торсионных полей уникальны. Во-первых, взаимодействие торсионных квантовых вихрей носит не энергетический, а чисто информационный характер и, следовательно, на них не распространяется следующий из теории относительности запрет на существование сверхсветовых скоростей. Для торсионных полей этот запрет снимается по той причине, что они обладают свойством нелокальности. Во-вторых, по той же самой причине для их интенсивности отсутствует обратная зависимость от квадрата расстояния, как в случае электромагнитных и гравитационных полей. По этим причинам торсионные поля — идеальное средство для связи на межзвездных расстояниях. О возможности использовать их для этой цели свидетельствуют эксперименты, проведенные в разное время Н.А. Козыревым, М.М. Лаврентьевым и А.Ф. Пугачем.
Любое твердое тело, поскольку оно представляет собой ансамбль элементарных частиц, обладающих спином, при ускоренном движении вносит возмущение в «фитонное море», приводя к его поляризации по массе. Это также торсионный эффект, но проявляется он уже не в виде возбуждения торсионных полей, несущих информацию, но не энергию, а в форме возникновения всем хорошо известных сил — сил инерции. Становится, таким образом, ясным механизм возникновения этих сил, триста лет остававшийся нераскрытым. Понятным становится и «внутреннее» родство сил инерции и гравитации, а также равенство инерционной и гравитационной масс — они обусловлены одними и теми же эффектами искривления и кручения физического вакуума.
Механизм возбуждения электромагнитных и торсионных полей также обладает сходными чертами. Это приводит к возникновению еще одного типа комбинированных полей — электроторсионных. Эти поля тоже наблюдаются в экспериментах.
Эксперименты по рождению частиц из физического вакуума показывают, что их массы, заряды, спины или какие-либо другие физические характеристики относительны, появляются и исчезают в процессах рождения из вакуума или ухода в вакуум. В теории физического вакуума эти характеристики определяются через риманову кривизну пространства. Имеется гипотеза о том, что пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру, поля расслоений описывают дефекты в этой структуре. Эти структуры задают состояние физического вакуума, их называют вакуумными конденсатами.
На нынешнем уровне знаний о природе можно сказать определенно: свойства материи целиком определяются свойствами этих вакуумных структур. Именно поэтому изучение физики вакуума и представляется приоритетной задачей физики XXI в. Сегодня можно утверждать, что, во-первых, формирование конкретных свойств элементарных частиц и их взаимодействий, в частности основных из них протона, нейтрона, электрона и нейтрино, предопределяется состоянием различных вакуумных субструктур и взаимосвязями между ними, а во-вторых, свойства наблюдаемого макромира — геометрические свойства Вселенной в целом, ее крупномасштабная структура, химический состав Вселенной, условия возникновения в ней биологических объектов — определяются свойствами частиц. Отсюда следует, что относительно небольшие изменения в структуре вакуума могут привести к радикальному изменению свойств мира. Параметры вакуумных структур жестко зафиксированы для видимой Вселенной. В этом смысле можно говорить, что вакуумные структуры самоорганизуются единственным образом, который только и позволяет существовать во Вселенной макроскопическим структурам.
Так от размышлений о природе пустоты приходим к постановке проблемы о самоорганизации вакуума. Поэтому для краткой формулировки ситуации в фундаментальной физике на рубеже XX и XXI вв. (или на рубеже II и III тысячелетий), выберем следующие ключевые слова — вакуум и самоорганизация. Заметим, что формирование категории вакуума, как объекта со сложной иерархической внутренней структурой есть результат синтеза геометрической и квантовой концепций физики XX в., а самоорганизация проявляется, как внутреннее свойство физического вакуума, которое нам и предстоит исследовать в XXI в.
Сложные структуры квантового вакуума — та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Особое значение имеет проблема рождения пар частиц из вакуума вблизи сигулярностей в космологических решениях, описывающих эволюцию Вселенной. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных.
Работа представлена на научную конференцию с международным участием, Москва-Барселона, 7-14 июля 2006г. Поступила в редакцию 05.06.2006 г.
Источник