Правда ли, что Вселенная на 99% состоит из пустоты?
Все мы знаем, что абсолютно все видимое и невидимое во Вселенной состоит из атомов (темная материя не в счет, так как никто толком не знает, из чего она состоит). Каждая такая частица содержит в себе ядро и электроны, которые крутятся вокруг него, будучи связанными с ядром благодаря электромагнитному взаимодействию. Однако ядро атома настолько мало, что если мысленно себе представить растянутый до размеров футбольного поля атом, то его ядро будет иметь размер всего лишь с маковое зерно. Для чего атому нужно столько лишнего пространства и правда ли, что наша Вселенная на 99% состоит из пустоты?
Возможно, Вселенная на 99 % состоит из пустоты. Почему же это так?
Почему мы не можем ходить сквозь стены?
Несмотря на то, что большую часть атома составляет пустота, крошечные его составляющие — электроны, играют весьма важную роль в “заполнении” этой пустоты. Так, хотя электронов в атоме обычно совсем немного, их поведение сродни большой стае птиц, в которой при синхронном движении нет какой-либо четкой границы. Все, что мы можем видеть при таком движении, представляет из себя хаотично изменяющуюся неопределенную форму. Электроны, постоянно меняя свое расположение в атоме, движутся строго по уравнению, которое в XX веке впервые описал знаменитый ученый Эрвин Шредингер. Да-да, тот самый ученый, который любил ставить квантовые опыты над кошками.
Танцуя внутри атома, электроны могут получать и отдавать поступающую извне энергию. Именно поэтому свет не способен проникнуть сквозь стену, так как электроны атомов стены попросту забирают энергию света, отдавая ее спустя небольшой промежуток времени. Благодаря подобному явлению приема и отдачи света, находящаяся рядом с вами стена кажется твердой и непрозрачной.
Может ли Вселенная быть пустой?
Вселенная славится объектами, которые способны удивить своими колоссальными размерами любого земного скептика. Так, самым большим объектом в изученной нами части Вселенной признан объект, названный астрономами Великой стеной Геркулес — Северная Корона. Гигантская структура простирается аж на целых 10 миллиардов световых лет и представляет из себя огромное количество собранных вместе галактик разных форм и размеров.
Великая стена Геркулес — Северная Корона простирается более чем на 10 миллиардов световых лет
По сравнению с гигантской структурой, наша Солнечная Система представляется маленькой точкой, затерянной где-то далеко на краю галактики Млечный Путь. Несмотря на это, гравитационное поле нашего Солнца (и не только его, но и других звезд Вселенной) в несколько тысяч раз превышает его собственные размеры. Благодаря такой мудрой настройке, планеты могут вращаться вокруг орбит своих звезд, не опасаясь улететь куда-то далеко в глубокий космос.
Движение электронов в атоме схоже с хаотичным движением птиц в стае
Похожая ситуация возникает и внутри атома. Соотношение размеров электронов, атомного ядра и расстояний между ними крайне напоминает соотношение размеров космических тел и их расстояний в макромире. Иными словами, огромные расстояния внутри атома могут пролить свет на вопрос о возможной пустоте Вселенной.
Если это так, то Вселенная действительно на 99 % состоит из пустоты, в то время как 1 % всей видимой глазу материи создает известный нам окружающий мир. Несмотря на этот невероятный факт, все это огромное “ничего” вмещает в себя множество невидимых и еще неизученных сил, которые, возможно, мы однажды сможем обуздать.
Если вам понравилась данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему каналу на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из области популярной науки и техники.
Источник
Существует ли пустота и чем она отличается от вакуума?
Поделиться:
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.
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, общая 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.
Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»
Еще один аргумент против пустоты выглядит более объективно (в отличии от интуитивно непонятного принципа Гейзенберга). Он утверждает, что наши попытки вообразить полную пустоту обречены быть частичными, однако указывает, что в остатке остается не сознание, а нечто не психологическое. Если представить себе, что все содержимое космоса уничтожено, то у нас всегда остается та обстановка, в которой оно находилось. Эта обстановка может быть пустой, но не есть пустота, ибо сосуд без содержимого по-прежнему остается сосудом. И поскольку нельзя мысленно избавиться от пространства, то оно должно быть частью любой возможной реальности – но только не форме Ничто, а в форме Нечто, ибо пустое пространство уже представляет собой объект (и, возможно, самый интересный объект во Вселенной). Даже Леонардо да Винчи не удержался от несколько парадоксального восклицания: «Среди величайших вещей вокруг нас самым великим является существование Ничто!»
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.
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.
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.
Получается, что абсолютное Ничто непротиворечиво только логически. Или же Ничто является реальной логической возможностью? Вполне может случиться, что даже если мы не в состоянии вообразить такую возможность, это еще не означает, что она парадоксальна. Абсолютная пустота может выглядеть нелепицей, но не является абсурдом. С точки зрения логики, может существовать вариант мир, где вообще ничего нет. В отличие от других возможных миров, у него нет ни пространства-времени, ни сосуда, ни сцены или арены в каком-либо виде.
Лейбниц был первым, кто указал, что Ничто есть самая простая из всех возможных реальностей. Кроме того, мир Ничто также наименее случаен. Поскольку в нем нет никаких объектов, то полное их число равно нулю. В любом другом мире число объектов отличается от нуля: мир может содержать конечное число сущностей или бесконечное число сущностей, и любое конечное число будет выглядеть произвольным. Например, наша собственная Вселенная, видимо, состоит из конечного числа элементарных частиц (это число оценивается как 10 с восьмьюдесятью нулями). Если бы мир содержал меньшее число объектов, например 25, то это было бы точно такой же случайностью. Даже бесконечный мир был бы случайностью, потому что у бесконечности не один размер, а много – на самом деле, бесконечно много – это установил изучавший бесконечные множества Георг Кантор.
Более того, Ничто – наиболее симметричная из всех реальностей. Многие вещи, подобно лицам, овалам, снежинкам и песчинкам, лишь приблизительно симметричны. Наша Вселенная не очень-то симметрична в малых масштабах – посмотрите хотя бы на беспорядок на вашем столе. В космических же масштабах она более симметрична и выглядит практически одинаково, куда ни посмотри. Однако никакая Вселенная, включая нашу, не может соперничать в симметрии с миром воплощенного Ничто. Полное отсутствие индивидуальности в мире Ничто делает его предельно инвариантным для любой трансформации. Нет ничего, что можно сдвинуть, отразить или повернуть. Вот уж действительно до жути правильная реальность, мечта всех педантов и ананкастов! Такое Ничто похоже на беззвездное ночное небо или глубокий сон без сновидений, вызывающие приятный ужас у того, кто осмелился о нем размышлять.
Но если Ничто такое красивое, то почему же оно не возобладало над Бытием? Если подумать, то у Нулевого мира есть множество безусловных достоинств (и несуществование Ничего до жути логично!), однако они лишь делают тайну бытия еще более загадочной. Но все получилось так, как получилось – Нечто существует, и с этим невозможно спорить (но верящие в торжество иллюзии буддисты все равно спорят).
Я тоже разделяю изумление фактом существования мира и своего собственного существования – да и тем, что Вселенная как-то произвела те самые мысли о Ничто, которые сейчас кружатся в омуте моего сознания. 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 себе мир, в котором меня нет, в котором я никогда не появился на свет? А что, если и правда оттого, как утверждает квантовая механика, что голое Ничто существовать не может? А значит вопрос: «Что есть Ничто?» остается несущественным!
Источник