Аристотель стверджував, що природа не сприймає порожнечі. Інакше предмети літатимуть у просторі з неймовірною швидкістю. У 1277 році французький єпископ Етьєн Темп'є зазначив, що Бог може зробити все, що завгодно, навіть порожнечу (vacuum).
І це вдалося зробити простому вченому. Отто фон Геріке винайшов повітряний насос із порожнистої мідної кулі, і з його допомогою досяг, можливо, першого високоякісного вакууму на Землі. На театралізованій демонстрації він показав, що навіть дві упряжки коней не здатні розірвати невелику кулю, якщо в ній "нічого немає".
Відтоді вакуум став основоположним поняттям у фізиці, фундаментом будь-якої теорії про щось. Вакуум фон Геріке - це проста відсутність повітря.
Електромагнітний вакуум - це відсутність середовища, яке може уповільнювати світло.
А гравітаційний вакуум - відсутність матерії або енергії, здатної викривляти простір і час.
У кожному окремому випадку конкретний різновид ніщо залежить від того, якого роду щось фізики в змозі описати.
"Іноді це спосіб визначення теорії", - каже Патрік Дрейпер, фізик-теоретик з Університету Іллінойсу.
У міру того, як сучасні фізики шукали складніші кандидатури для остаточної теорії природи, вони стикалися зі зростаючою безліччю типів Ніщо. І щоразу "ніщо" має свою власну "поведінку", ніби це різні фази речовини.
Дедалі частіше здається, що ключем до розуміння походження і долі Всесвіту може стати ретельне врахування різновидів відсутності, що розростаються.
"Ми дізнаємося, що про "ніщо" можна дізнатися набагато більше, ніж ми думали, - каже Ізабель Гарсія Гарсія, дослідник з Інституту теоретичної фізики імені Кавлі в Каліфорнії. - Скільки ще ми втрачаємо?"
Досі дослідження в цій галузі приводили до драматичного висновку: Наш Всесвіт, можливо, стоїть на платформі неякісної конструкції, "метастабільному" вакуумі, який приречений - у далекому майбутньому - перетворитися на інше щось, знищивши все в процесі трансформації.
Класичний вакуум - це нудно
Ніщо стало здаватися чимось відчутним у 20 столітті, коли фізики подивилися на реальність як на сукупність полів: об'єктів, що заповнюють простір із певним значенням у кожній точці (електричне поле, наприклад, говорить вам, якої сили зазнаватиме електрон у різних локаціях).
У класичній фізиці значення поля може бути скрізь дорівнює нулю, тож воно не чинить жодного впливу і не містить енергії.
"Класично вакуум - це нудно, - пояснює Деніел Харлоу, фізик-теоретик із Массачусетського технологічного інституту. - Нічого не відбувається".
Але фізики дізналися, що поля Всесвіту є квантовими, а не класичними, тобто вони невизначені. Ви ніколи не зможете зловити квантове поле з абсолютно нульовою енергією. Гарлоу порівнює квантове поле з масивом маятників - по одному в кожній точці простору, - кути яких являють собою конкретні значення поля. Кожен маятник висить майже прямо, але коливається у звичайному режимі.
Якщо залишити квантове поле в спокої, воно перебуватиме в синергії з мінімальною енергією, відомою як "істинний вакуум" або "основний стан". (Елементарні частинки є пульсаціями в цих полях).
"Коли ми говоримо про вакуум системи, ми маємо на увазі в певному сенсі кращий стан системи", - уточнює Гарсія Гарсія.
Більшість квантових полів, що заповнюють наш Всесвіт, мають один, і тільки один, кращий стан, де вони перебувають вічно. Але не всі і не завжди.
Поле Гігса і квантове Ніщо
У 1970-х роках фізики оцінили значення іншого класу квантових полів, чиї значення в середньому наближені до нуля. Таке "скалярне поле" схоже на набір маятників, що зависли, скажімо, під кутом 10 градусів. Подібна конфігурація може бути основним станом: маятники воліють залишатися стабільними.
У 2012 році експериментатори на Великому адронному колайдері довели, що скалярне поле, на кшталт поля Хіггса, пронизує весь Всесвіт. Спочатку, в гарячому, ранньому Всесвіті, його маятники були спрямовані вниз. Але коли космос охолов, поле Хіггса змінило свій стан, подібно до того, як вода перетворюється на лід, і всі маятники перейшли в новий стан, кут збільшився. (Ненульове значення Хіггса означає набуття елементарними частинками своєї маси).
Коли навколо панують скалярні поля, стабільність вакууму не обов'язково абсолютна. Маятники поля можуть існувати між напівстабільними кутами, переходячи від однієї конфігурації до іншої.
Однак теоретики не впевнені, що поле Хіггса знайшло свою конфігурацію - істинний вакуум. Деякі стверджують, що нинішній стан поля, незважаючи на те, що існує вже 13,8 мільярда років, є лише тимчасово стабільним, або "метастабільним".
Якщо це так, то хороші часи не триватимуть вічно. У 1980-х роках фізики Сідні Коулман і Френк Де Лучіа описали, як розпадається помилковий вакуум скалярного поля. У будь-який момент, якщо достатня кількість маятників переміститься під більш вигідним кутом, вони потягнуть за собою сусідів, і міхур всесвіту вилетить назовні з майже світловою швидкістю. Під час руху відбудеться перезапис законів фізики, звичні атоми і молекули зруйнуються. (Не панікуйте. Навіть якщо наш вакуум спочатку метастабільний, він, імовірно, проіснує ще мільярди років).
У потенційній мінливості поля Хіггса фізики виявили перший із практично нескінченної кількості способів присутності небуття.
Теорія струн
У міру того як фізики намагалися пов'язати підтверджені закони природи в ширші уявлення, вони створили теорії природи з додатковими полями та іншими інгредієнтами.
Коли поля накопичуються, вони взаємодіють, впливаючи на маятники одне одного і створюючи нові взаємні конфігурації. Виходить безліч "вакуумів", розміщених на "енергетичному ландшафті". Різні кути нахилу відповідають різним кількостям енергії, або висотам на енергетичному ландшафті, а поля прагнуть знизити свою енергію так само, як камінь котиться вниз. Проблема в тому, що камінь може зупинитися - на певний час, у всякому разі, - у вищій долині.
Кілька десятиліть тому ландшафт вибухнув масштабами. Фізики Джозеф Полчинський і Рафаель Буссо вивчали деякі аспекти теорії струн, провідної математичної основи для опису квантової гравітації.
Теорія струн оперує близько 10 вимірами, додаткові згорнуті у форми, занадто незначні для виявлення. У 2000 році Полчинські та Буссо розрахували, що такі додаткові виміри можуть складатися величезною кількістю способів. Кожен спосіб згортання утворює окремий вакуум зі своїми фізичними законами.
Таким чином, теорія струн допускає майже незліченну кількість вакуумів, що, в принципі, підтверджує інше відкриття, зроблене двома десятиліттями раніше.
На початку 1980-х років учені розробили гіпотезу космічної інфляції, яка стала провідною теорією народження Всесвіту. Вона припускає, що Всесвіт почався зі швидкого спалаху експоненціального розширення, що пояснює плавність і величезність Всесвіту. Але за успіхи інфляції доводиться платити.
Дослідники виявили, що якщо космічна інфляція запустилася, вона продовжиться незалежно від часу. Велика частина вакууму буде вічно вибухати. Тільки обмежені області простору перестануть роздуватися, перетворившись на бульбашки відносної стабільності, відокремлені одна від одної порожнечею, що роздувається між ними. Так з'являються інші всесвіти.
Мультивсесвіт вакуумів
Деяких обивателів турбує думка про те, що ми живемо в мультивсесвіті - нескінченному ландшафті вакуумних бульбашок. Через це фізична природа будь-якого вакууму (наприклад, нашого) здається випадковою і непередбачуваною, що обмежує нашу здатність пізнавати Всесвіт.
Полчинські, який помер 2018 року, розповідав фізику Сабіні Госсенфельдер, що відкриття ландшафту вакуумів у теорії струн зробило його настільки нещасним, що змусило звернутися до психотерапевта.
Але якщо теорія струн пророкує всі мислимі різновиди ніщо, чи пророкувала вона щось?
Для інших безліч вакуумів не є проблемою; "насправді, це перевага", - упевнений Андрій Лінде, видатний космолог зі Стенфордського університету й один із розробників теорії космічної інфляції.
А все тому, що мультивсесвіт потенційно вирішує велику загадку: наднизьку енергію нашого конкретного вакууму.
Коли теоретики наївно оцінюють колективне тремтіння всіх квантових полів Всесвіту, енергія виявляється величезною - її достатньо, щоб прискорити розширення простору і, за короткий термін, розірвати космос на частини.
Однак спостережуване прискорення простору вкрай незначне, щоб говорити про те, що більша частина колективного тремтіння нівелюється, і наш вакуум має надзвичайно низьке позитивне значення для своєї енергії.
В одиночному всесвіті крихітна енергія одинокого вакууму виглядає глибокою загадкою. Однак у мультивсесвіті це просто дурна удача. Якщо різні бульбашки простору мають різну енергію і розширюються з різною швидкістю, то галактики і планети утворюються тільки в найбільш млявих бульбашках. Наш спокійний вакуум не більш загадковий, ніж орбіта планети: ми опинилися тут тому, що майже всі інші місця негостинні для життя.
Подобається нам це чи ні, але у гіпотези мультивсесвіту в її нинішньому розумінні є проблема. Незважаючи на уявне нескінченне меню вакуумів у теорії струн, досі ніхто не знайшов конкретного додавання крихітних додаткових вимірів. Вакуум з від'ємною енергією кращий.
Можливо, теорія струн не відповідає дійсності, або її недолік полягає в незрілому розумінні гіпотези. Можливо, фізики не знайшли правильного способу поводження з позитивною енергією вакууму в рамках теорії.
"Це цілком можливо", - каже Натан Сейберг, дослідник Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі.
Або ж наш вакуум нестабільний за своєю природою.
"Переважає думка, що [позитивно заряджений] простір не стабільний, - пояснює Сейберг. - Він може розпадатися на щось інше, тож це може бути однією з причин, чому так важко зрозуміти його фізику".
Дослідники підозрюють, що наш вакуум не є найкращим станом реальності, і коли-небудь він переміститься в глибшу, більш стабільну "долину".
При цьому наш вакуум втратить поле, що породжує електрони, або знайде нову палітру частинок. Щільно складені виміри розгорнуться. Або вакуум відмовить собі в існуванні.
Ось тоді й виникне справжнє, реальне Ніщо.
Смерть вакууму
1982 року фізик Едвард Віттен виявив таку собі "бульбашку з нічого". Вивчаючи вакуум з одним додатковим виміром, він припустив, що квантові флуктуації неминуче змінюють додатковий вимір, іноді стискаючи коло до точки.
Коли вимір зникає в небуття, він забирає з собою все інше. Нестабільність породжує міхур, що швидко розширюється, без внутрішньої частини, його дзеркальна поверхня знаменує кінець простору-часу.
Ця нестабільність давно мучить теорію струн, були придумані різні інгредієнти, щоб зробити їх більш жорсткими.
У грудні Гарсія Гарсія разом із Дрейпером і Бенджаміном Ліллардом з Іллінойсу розрахувала час життя вакууму з одним додатковим згорнутим виміром. Вчені розглянули різні варіанти стабілізації, але виявили, що більшість механізмів не в змозі зупинити бульбашки.
Висновки фізиків збіглися з висновками Віттена: коли розмір додаткового виміру падає нижче певного порога, вакуум схлопувався. Аналогічний розрахунок - із поширенням на складніші моделі - міг би виключити вакуум із розмірами, нижчими за цей поріг.
Однак за досить великого прихованого виміру вакуум існує протягом багатьох мільярдів років. Це означає, що теорії, які описують бульбашки з нічого, правдоподібно відповідають нашому Всесвіту.
Якщо це так, то Аристотель, можливо, мав більше рації, ніж він думав. Природа не в захваті від вакууму. Вона віддає перевагу Ніщо.
Джерело Quantum Magazine
