Svemir je ogromno, raznoliko i zanimljivo mjesto, puno materije i energije, u raznim oblicima, igrajući se na pozornici svemirskog vremena, u skladu sa zakonima fizike. To je primjer ove svemirske teleskopske slike Hubble galaktičkog klastera IDCS J1426.5 + 3508. Koliko vam zapravo treba oduzeti prije nego što zaista ostaneš bez ičega? Bonus slike: NASA, ESA i M. Brodwin (Sveučilište Missouri).

Četiri znanstvena značenja 'Ništa'

Ako želite znati kako nešto dobivamo iz ničega, bolje biste shvatili što mislimo!

Kada danas pogledamo oko sebe i Univerzuma, razgovaramo i razmišljamo o svim stvarima koje su u njemu. Oni se kreću od čestica, atoma i ljudskog bića do planeta, zvijezda, galaksija i najvećih struktura svih. Ovisno o tome što nas zanima, možemo razgovarati o plinu, prašini, zračenju, crnim rupama ili čak tamnoj materiji. Ali sve stvari koje danas vidimo, promatramo ili zaključujemo postojanje možda nisu postojale zauvijek. Neki od njih proizašli su iz neke prethodno postojeće materije koja se prije nalazila, ali drugi su, čini se, došli iz ničega. Ne iznenađuje da se svi ne slažu o tome što znanstveno mislimo kad govorimo o onome što zapravo nije ništa. Ovisno o tome koga pitate (ili kad ih pitate), možda ćete dobiti jedno od četiri zasebna značenja. Evo zašto su svi relevantni.

Najslađa galaksija u Svemiru, koja nema drugih galaksija u svojoj blizini već 100 milijuna svjetlosnih godina u bilo kojem smjeru. Ipak, ovo nije istinsko ostvarenje praznog prostora. Kreditna slika: ESA / Hubble & NASA i N. Gorin (STScI); Priznanje: Judy Schmidt.

1.) Vrijeme kada vaša „stvar“ koja vas zanima nije postojala. Kako je Svemir napravio planete? A zvijezde? Što je s asimetrijom materije? Te stvari nisu postojale uvijek, već su trebale biti stvorene. Kad je mehanizam poznat, obično kažemo da je naša "stvar" stvorena iz nečega, a ne iz ničega. Planeti su nastali iz recikliranog detritusa prethodnih generacija zvijezda, gdje su se stvorili teški elementi koji su činili njihove jezgre i čvrste površine, a zatim ih izbacili natrag u međuzvjezdani medij. Zvijezde potječu iz oblaka plina koji ugovaraju, a koji sadrže regije koje su dovoljno guste i tople da mogu zapaliti nuklearnu fuziju. I planete i zvijezde su materija koja potječe od već postojećih oblika materije; oni su stvar koja dolazi iz nečega, a ne ničega.

Veliki prasak proizvodi materiju, antimateriju i zračenje, s tim da će se u nekom trenutku stvoriti nešto više materije, što danas vodi u naš Univerzum. Kako je ta asimetrija nastala ili je nastala tamo gdje nije bilo asimetrije za početak, još uvijek je otvoreno pitanje. Kreditna slika: E. Siegel / Beyond the Galaxy.

Ali materija koju danas imamo nije nastala iz već postojeće materije. U nekom trenutku daleke prošlosti, Svemir se sastojao od jednakih količina materije i antimaterije; zakoni fizike koje smo otkrili samo nam omogućuju da ih stvorimo u jednakim količinama. Ipak, Svemir koji danas imamo snažno je od materije, a ne od antimaterije, gdje je svaki od milijardi na milijarde galaksija kakve poznajemo, stvoren od materije, a ne od antimaterije. Odakle je nastala naša asimetrija materije? Iz prethodno simetričnog stanja; iz države u kojoj su materija i antimaterija postojale u jednakim količinama. Iz vremena kada nije bilo asimetrije. Prema nekima, to znači da je materija koju danas imamo proizašla iz ničega, iako se drugi koji se strogo pridržavaju jedne od drugih definicija osporavaju.

Ipak, nitko ne osporava da je znanstveni problem bariogeneze, odnosno podrijetlo asimetrije materije-antimaterije, jedna od najnaprednijih zagonetki u teorijskoj fizici danas. Mnogo je ideja i mehanizama za postojanje naše materije (a ne antimaterije), ali nedostaju nam dokazi koji bi trebali proglasiti pobjednikom.

Standardni model fizike čestica obuhvaća tri od četiri sile (osim gravitacije), puni skup otkrivenih čestica i sve njihove interakcije. Iz pridružene teorije kvantnog polja možemo utvrditi i svojstva kvantnog vakuuma. Kreditna slika: Projekt suvremenog fizičkog obrazovanja / DOE / NSF / LBNL.

2.) Prazan prostor. Razmislite o svim "stvarima" koje danas postoje u Svemiru. Zamislite svaki osnovni sastojak materije; svaki kvant zračenja; svaka crna rupa; svaka misa; svaka čestica i antičestica. Zamislite da ih uklonite. Zamislite kako ih nekako izvlačite iz Svemira, ne ostavljajući ništa osim praznog prostora. Što bi ti ostalo? Neki je nazivaju "ničim", i prilično su zadovoljni s tom definicijom.

Vizualizacija izračuna kvantne teorije polja koja prikazuje virtualne čestice u kvantnom vakuumu. Čak i u praznom prostoru, ova energija vakuuma nije jednaka nuli. Kreditna slika: Derek Leinweber.

Entitet poznat kao svemir-vrijeme i dalje je tu, kao i zakoni fizike. Sva polja prisutna u praznom prostoru, od Higgsovog polja do gravitacijskih polja do kvantnih polja koja često vizualiziramo kao parove čestica-antičestica koji iskaču u i odlaze iz egzistencije, još uvijek su okolo. Fizički zakoni poput kvantne teorije polja još uvijek postoje; Opća relativnost još uvijek postoji; temeljne konstante ne samo da su još uvijek prisutne, već imaju iste vrijednosti kao i danas. I sam vakuum praznog prostora još uvijek ima energiju nulte točke koja nije jednaka nuli. To se danas očituje kao tamna energija, i s vrlo različitom nultom vrijednošću u dalekoj prošlosti, bila je pokretačka snaga kozmološke inflacije. Kad ljudi govore o Svemiru koji proizlazi iz ničega, to je vrsta "ničega", na što se odnosi: vrući Veliki prasak rođen inflacijom.

Prikaz ravnog, praznog prostora bez ikakve vrste, energije ili zakrivljenosti bilo koje vrste. Ako ovaj prostor ima najnižu moguću energiju nulte točke, više ga neće biti moguće smanjiti. Kreditna slika: Amber Stuver / Living Ligo.

3.) Prazan prostor u mogućem stanju s najnižom energijom. Što ako se energija nulte točke Svemira svodi na njegovo pravo osnovno stanje? Kad se inflacija završila, došlo je do velikog pada vakuumske energije Univerzuma: od skale inflacije do vrijednosti koju danas ima. Taj pad energije praznog prostora bio je odgovoran za masovno povećanje energije čestica i nastanak vrućeg Velikog praska. Ali nema garancije da smo trenutno u stvarnom stanju s najnižom energijom; moguće je da smo samo u lažnom stanju vakuuma, a pravi vakuum očekuje nas nakon još jednog katastrofalnog, mijenjanja Univerzuma.

Skalarno polje φ u lažnom vakuumu. Imajte na umu da je energija E veća od energije u stvarnom vakuumu ili zemlji, ali postoji barijera koja sprečava da se polje klasično spusti do pravog vakuuma. Tijekom inflacije. svemir nije u stvarnom stanju vakuuma; danas to možda i neće biti. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Stannered.

Ako biste postigli kakvo je pravo prizemno stanje i istjerali svu materiju, energiju, zračenje i svemirske valove iz vašeg svemira, što biste ostali? To je, možda, krajnja ideja o tome što "fizička ništavina" može biti: ondje gdje još uvijek imate pozornicu kojom će se Svemir igrati. Možda nema igrača, glumišta, scenarija i scene, ali u velikom ponoru ništavila još uvijek imate pozornicu. Kozmički vakuum bio bi na svom minimumu; ne bi bilo nade da se iz ovog vakuuma izvlače rad, energija ili stvarne čestice, ali svemir i vrijeme fizike će i dalje postojati. Teoretski, ako ste dodali česticu u ovaj Univerzum, ona se ne bi toliko razlikovala od izolirane čestice koja postoji u našem Svemiru danas.

Potpuni paket onoga što je danas prisutno u Svemiru duguje svojim izvorima vrućem velikom prasku. Što je još važnije, Svemir koji danas imamo može nastati samo zbog svojstava svemira i zakona fizike. Bez njih ne možemo postojati ni u kojem obliku. Kreditna slika: NASA / GSFC.

4.) Što god vam ostane kad oduzmete cijeli Svemir i zakone koji upravljaju njim. Napokon, možete zamisliti da uklonite sve, uključujući prostor, vrijeme i pravila koja reguliraju bilo kakve čestice ili kvante energije. To stvara vrstu "ničega" za što fizičari nemaju definiciju. To nadilazi „ništa“ kao što postoji u Univerzumu, umjesto što ostvaruje neku vrstu filozofskog, apsolutnog ništavila. Ali u kontekstu fizike ne možemo imati smisla za takvu ništavnost. Morali bismo pretpostaviti da postoji takvo stanje kao što je stanje izvan prostora i vremena, u kojem možete izići iz prostornog vremena iz ovog pretpostavljenog stanja istinske ništavila.

Ali je li to moguće? Kako svemirski prostor nastaje na određenoj lokaciji, kad ne postoji prostor? Kako možete stvoriti početak vremena ako ne postoji koncept nečeg poput "prije" bez vremena već? I odakle bi onda nastala pravila koja upravljaju česticama i njihovim interakcijama? Znači li ta konačna definicija "ničega" uopće nešto ili je to samo logični konstrukt bez vlastitog fizičkog značenja?

Fluktuacije u samom svemiru na kvantnoj ljestvici prostiru se kroz svemir tijekom inflacije, što dovodi do nesavršenosti i u gustoći i gravitacijskim valovima. Iako se naduvavanje prostora s pravom može nazvati

Ovdje nema konsenzusa. S jezikom koji ima dvosmislenost, možete reći "ništa" i legitimno se pozivate na bilo što od toga, a puristi s nestrpljenjem čekaju da viknu na vas ako se usudite koristiti "ništa" u kontekstu koji je manje čist od njihove definicije. Ako se nešto temeljno dogodilo tamo gdje ranije nije postojalo, ne možete to nazvati ničim, ali neće se svi složiti. Ako maknete svu materiju, antimateriju, zračenje, pa čak i prostornu zakrivljenost, zasigurno možete tvrditi da je to ono što "nije ništa", ali postoje neke "stvari" koje još uvijek postoje. Ako tada oduzmete bilo koju energiju svojstvenu prostoru, ostavljajući samo prostorno vrijeme i zakone prirode, možete nazvati i to "ničim". Ali filozofski gledano, neki će ljudi i dalje biti nezadovoljni. Samo ako se i to oduzmu, neki će se konačno prikloniti takvom entitetu nazvati „ničim“.

Pretpostavlja se da čestice i antičestice Standardnog modela postoje kao posljedica zakona fizike. Bez tih zakona ili bez pozornice svemira može li se išta razumno pojaviti? Kreditna slika: E. Siegel / Beyond the Galaxy.

Pa tko je u pravu? Svi su oni na svoj način. Ključ nije samo raspravljati ili se boriti oko onoga što uistinu nije ništa, nego prihvatiti i razumjeti te definicije onako kako ih ljudi koriste. Najvažnije je ne brkati jedno značenje za drugim ili se svađati zašto je pogrešno upotrebljavati riječ na određeni način. Umjesto toga, kada netko - posebno znanstvenik - kaže riječ „ništa“, pokušajte i shvatite koje značenje oni koriste i koji je fenomen koji pokušavaju objasniti. Koliko god naše zamisli mogle da nas izvedu, jedini pravi oblik znanja za koji se možemo nadati da se uopće odnosi ovisi o tome da ga testiramo u vlastitoj fizičkoj stvarnosti. Sve ostalo, koliko god logično zvučalo, samo je konstrukcija našeg uma.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.