paikka, joka on täynnä ainetta ja energiaa eri muodoissaan, jotka leikkivät avaruusajan näyttämöllä fysiikan lakien mukaisesti. Tästä on esimerkkinä tämä Hubble-avaruusteleskoopin kuva galaksijoukosta IDCS J1426.5+3508. Kuinka paljon on kuitenkin otettava pois, ennen kuin jäljelle jää todella mitään? NASA, ESA ja M. Brodwin (Missourin yliopisto)
Kun katselemme nykyään maailmaamme ja maailmankaikkeuttamme, puhumme ja ajattelemme kaikkea, mitä siinä on. Ne vaihtelevat hiukkasista, atomeista ja ihmisistä planeettoihin, tähtiin, galakseihin ja kaikkein suurimpiin rakenteisiin. Riippuen siitä, mistä olemme kiinnostuneita, voimme keskustella kaasusta, pölystä, säteilystä, mustista aukoista tai jopa pimeästä aineesta. Mutta kaikki ne asiat, joita näemme, havaitsemme tai joiden olemassaolosta päättelemme tänään, eivät välttämättä ole olleet olemassa ikuisesti. Jotkin niistä ovat syntyneet jostain aiemmin olemassa olleesta aineesta, mutta toiset ovat syntyneet näennäisesti tyhjästä. Ei ole yllättävää, että kaikki eivät ole yhtä mieltä siitä, mitä tarkoitamme tieteellisesti, kun puhumme siitä, mitä ”ei mitään” oikeastaan on. Riippuen siitä, keneltä kysyt (tai milloin kysyt), saatat saada yhden neljästä eri merkityksestä. Tässä kerrotaan, miksi ne kaikki ovat merkityksellisiä.
muita galakseja sen läheisyydessä 100 miljoonan valovuoden säteellä mihinkään suuntaan. Silti tämä ei ole tyhjän avaruuden todellinen toteutus. ESA/Hubble & NASA ja N. Gorin (STScI); Kiitokset: Judy Schmidt
1.) Aika, jolloin sinua kiinnostavaa ”asiaa” ei ollut olemassa. Miten maailmankaikkeus teki planeettoja? Entä tähdet? Entä aineen epäsymmetria? Näitä asioita ei aina ollut olemassa, vaan ne oli pikemminkin luotava. Kun mekanismi tunnetaan, sanomme yleensä, että ”asiamme” luotiin jostakin eikä tyhjästä. Planeetat syntyivät aiempien tähtisukupolvien kierrätysjätteestä, jossa niiden ytimet ja kiinteät pinnat muodostivat raskaita alkuaineita, jotka sitten karkotettiin takaisin tähtienväliseen väliaineeseen. Tähdet syntyvät supistuvista kaasupilvistä, joissa on alueita, jotka ovat tarpeeksi tiheitä ja kuumia ydinfuusion sytyttämiseksi. Sekä planeetat että tähdet ovat ainetta, joka on peräisin jo olemassa olevista ainemuodoista; ne ovat asia, joka on peräisin jostakin, eikä tyhjästä.
säteilyä, jolloin jossain vaiheessa syntyi hieman enemmän ainetta, mikä johti nykyiseen maailmankaikkeuteemme. Miten tuo epäsymmetria syntyi tai syntyi siitä, mistä epäsymmetriaa ei aluksi ollut, on edelleen avoin kysymys. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Mutta se aine, joka meillä on nykyään, ei syntynyt jo olemassa olevasta aineesta. Jossain vaiheessa kaukaisessa menneisyydessä maailmankaikkeus koostui yhtä suurista määristä ainetta ja antiainetta; löytämämme fysiikan lait mahdollistavat vain niiden luomisen yhtä suurina määrinä. Nykyinen maailmankaikkeutemme koostuu kuitenkin valtaosin aineesta eikä antiaineesta, ja jokainen tuntemistamme miljardeista ja miljardeista galakseista koostuu aineesta eikä antiaineesta. Mistä aineemme epäsymmetria on peräisin? Aiemmin symmetrisestä tilasta; tilasta, jossa ainetta ja antiainetta oli yhtä paljon. Ajasta, jolloin ei ollut epäsymmetriaa. Joidenkin mukaan tämä tarkoittaa, että nykyinen aineemme syntyi tyhjästä, vaikka toiset, jotka pitävät tiukasti kiinni jostakin muusta määritelmästä, kiistävät tämän.
Siltikään kukaan ei kiistä sitä, että baryogeneesin tieteellinen ongelma eli aineen ja antiaineen epäsymmetrian synty on yksi tämän hetken teoreettisen fysiikan polttavimmista arvoituksista. On monia ideoita ja mekanismeja siitä, miten aineemme (eikä antiaineemme) on syntynyt, mutta meiltä puuttuu tarvittava todistusaineisto voittajan julistamiseksi.
kolme neljästä voimasta (gravitaatiota lukuun ottamatta), kaikki löydetyt hiukkaset ja kaikki niiden vuorovaikutukset. Tähän liittyvästä kvanttikenttäteoriasta voimme myös selvittää kvanttityhjiön ominaisuuksia. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
2.) Tyhjä tila. Ajattele kaikkia niitä ”asioita”, joita maailmankaikkeudessa on nykyään olemassa. Ajattele jokaista aineen peruskomponenttia; jokaista säteilyn kvanttia; jokaista mustaa aukkoa; jokaista massaa; jokaista hiukkasta ja antihiukkasta. Kuvittele nyt, että ne kaikki poistetaan. Kuvitelkaa, että ne jotenkin viedään pois maailmankaikkeudesta, jolloin jäljelle jää vain tyhjä tila. Mitä jäisi jäljelle? Jotkut kutsuvat sitä ”ei mitään”, ja ovat varsin tyytyväisiä tähän määritelmään.
laskelma, joka osoittaa virtuaalihiukkasia kvanttityhjiössä. Jopa tyhjässä avaruudessa tämä tyhjiöenergia on nollasta poikkeava. Derek Leinweber
Tila-aikana tunnettu entiteetti on edelleen olemassa, samoin fysiikan lait. Kaikki tyhjässä avaruudessa esiintyvät kentät Higgsin kentästä gravitaatiokenttiin ja kvanttikenttiin, jotka usein visualisoimme hiukkas-antihiukkaspareina, jotka ponnahtelevat sisään ja ulos olemassaolosta, ovat edelleen olemassa. Fyysiset lait, kuten kvanttikenttäteoria, ovat yhä olemassa; yleinen suhteellisuusteoria on yhä olemassa; perusvakiot eivät ainoastaan ole yhä olemassa, vaan niillä on samat arvot kuin nykyäänkin. Ja tyhjän avaruuden tyhjiöllä itsellään on edelleen nollapiste-energia, joka ei ole nolla. Tämä ilmenee nykyään pimeänä energiana, ja kaukaisessa menneisyydessä se oli kosmologisen inflaation liikkeellepaneva voima, jolla oli hyvin erilainen nollasta poikkeava arvo. Kun ihmiset puhuvat maailmankaikkeuden syntymisestä tyhjästä, he viittaavat juuri tällaiseen ”tyhjyyteen”: inflaation synnyttämään kuumaan alkuräjähdykseen.
ainetta, energiaa tai minkäänlaista kaarevuutta. Jos tässä avaruudessa on pienin mahdollinen nollapiste-energia, sitä ei ole mahdollista pienentää enempää. Amber Stuver / Living Ligo
3.) Tyhjä avaruusaika alimmassa mahdollisessa energiatilassa. Mitä jos maailmankaikkeuden nollapiste-energia alennettaisiin sen todelliseen perustilaan? Kun inflaatio päättyi, maailmankaikkeuden tyhjöenergia laski valtavasti: inflaatioasteikosta nykyiseen arvoonsa. Tämä tyhjän avaruuden energian pudotus oli vastuussa hiukkasten energian massiivisesta lisääntymisestä ja kuuman alkuräjähdyksen synnystä. Mutta ei ole mitään takeita siitä, että olemme juuri nyt todellisessa matalimman energian tilassa; on mahdollista, että olemme vain väärän tyhjiön tilassa, ja todellinen tyhjiö odottaa meitä toisen katastrofaalisen, maailmankaikkeutta muuttavan siirtymän jälkeen.
energia E on suurempi kuin todellisessa tyhjiössä tai perustilassa, mutta on olemassa este, joka estää kenttää rullaamasta klassisesti alas todelliseen tyhjiöön. Inflaation aikana. maailmankaikkeus ei ole todellisessa tyhjiötilassa; nykyään se ei ehkä ole sitä myöskään. Wikimedia Commonsin käyttäjä Stannered
Jos saavuttaisit minkä tahansa todellisen perustilan ja karkottaisit kaiken aineen, energian, säteilyn ja avaruusajan aaltoilun maailmankaikkeudestasi, mitä sinulle jäisi jäljelle? Se on ehkä perimmäinen ajatus siitä, mitä ”fysikaalinen ei-mitään” voi olla: jossa teillä on edelleen näyttämö, jolla maailmankaikkeus voi näytellä. Ei ehkä ole pelaajia, ei näyttelijöitä, ei käsikirjoitusta eikä kohtausta, mutta olemattomuuden suuressa kuilussa teillä on yhä näyttämö. Kosminen tyhjiö olisi minimissään; tästä tyhjiöstä ei olisi mitään toivoa saada työtä, energiaa tai todellisia hiukkasia, mutta avaruusaika ja fysiikan lait olisivat edelleen olemassa. Jos tähän maailmankaikkeuteen lisättäisiin hiukkanen, se ei teoriassa eroaisi kovin paljon nykyisessä maailmankaikkeudessamme olevasta eristetystä hiukkasesta.
Maailmankaikkeus on saanut alkunsa kuumasta alkuräjähdyksestä. Periaatteellisemmin sanottuna nykyisin olemassa oleva maailmankaikkeus voi syntyä vain avaruusajan ominaisuuksien ja fysiikan lakien ansiosta. Ilman niitä meillä ei voi olla olemassaoloa missään muodossa. NASA / GSFC
4.) Se, mitä jää jäljelle, kun otetaan pois koko maailmankaikkeus ja sitä ohjaavat lait. Viimein voitte kuvitella poistavanne kaiken, mukaan lukien avaruuden, ajan ja kaikenlaisia hiukkasia tai energiakvantteja säätelevät säännöt. Näin syntyy eräänlainen ”ei mitään”, jolle fyysikoilla ei ole määritelmää. Tämä menee pidemmälle kuin ”ei mitään” sellaisena kuin se on olemassa maailmankaikkeudessa, ja sen sijaan toteutuu jonkinlainen filosofinen, absoluuttinen ei-mitään. Mutta fysiikan kontekstissa emme voi ymmärtää tällaista ei-mitään. Meidän täytyisi olettaa, että on olemassa sellainen asia kuin avaruuden ja ajan ulkopuolinen tila, jossa voidaan saada aikaan avaruusajan syntyminen tästä hypoteettisesta todellisen olemattomuuden tilasta.
Mutta onko se mahdollista? Miten avaruusaika syntyy tietyssä paikassa, kun sellaista asiaa kuin avaruus ei ole olemassa? Miten voi syntyä ajan alku, jos ei ole olemassa sellaista käsitettä kuin ”ennen” ilman, että aika on jo olemassa? Ja mistä sitten syntyisivät hiukkasia ja niiden vuorovaikutusta koskevat säännöt? Tarkoittaako tämä ”ei mitään” lopullinen määritelmä ylipäätään mitään, vai onko se vain looginen konstruktio, jolla ei ole omaa fysikaalista merkitystä?
mittakaava venyy inflaation aikana koko maailmankaikkeudessa, mikä synnyttää epätäydellisyyksiä sekä tiheydessä että gravitaatioaalloissa. Vaikka inflatoituvaa avaruutta voidaan oikeutetusti kutsua monessa suhteessa ”ei miksikään”, kaikki eivät ole samaa mieltä. E. Siegel, ESA/Planckin ja DoE/NASA/NSF:n CMB-tutkimusta käsittelevän virastojen välisen työryhmän kuvien avulla
Tästä ei ole yksimielisyyttä. Kun kieli on niin monitulkintaista kuin se on, voit sanoa ”ei mitään” ja viitata oikeutetusti mihin tahansa näistä, ja puristit odottavat innokkaasti huutamaan sinulle, jos uskallat käyttää ”ei mitään” kontekstissa, joka ei ole yhtä puhdas kuin heidän määritelmänsä. Jos jotakin perustavanlaatuisesti syntyi siellä, missä sitä ei ennen ollut, sitä voi kutsua tyhjäksi, mutta kaikki eivät ole samaa mieltä. Jos otetaan pois kaikki aine, antiaine, säteily ja jopa avaruuden kaarevuus, voidaan varmasti väittää, että ”ei mitään” on juuri sitä, mutta joitakin ”asioita” on edelleen olemassa. Jos sitten otetaan pois kaikki avaruudelle itselleen ominainen energia, jolloin jäljelle jäävät vain avaruusaika ja luonnonlait, sitäkin voidaan kutsua ”ei-mikään”. Mutta filosofisesti jotkut ihmiset ovat silti tyytymättömiä. Vasta kun sekin otetaan pois, jotkut lopulta suostuvat kutsumaan tällaista kokonaisuutta ”ei-mikään”
Mallin ennustetaan olevan olemassa fysiikan lakien seurauksena. Voiko ilman näitä lakeja tai ilman avaruusajan vaihetta koskaan syntyä mitään järkevää? E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kuka siis on oikeassa? He kaikki ovat, omalla tavallaan. Avain ei ole kiistellä tai tapella siitä, mitä ”ei mitään” todella on, vaan hyväksyä ja ymmärtää nämä määritelmät sellaisina kuin ihmiset niitä käyttävät. On ensiarvoisen tärkeää olla sekoittamatta yhtä merkitystä toiseen tai ryhtymättä kinastelemaan siitä, miksi on väärin käyttää sanaa tietyllä tavalla. Sen sijaan, kun joku – erityisesti tiedemies – sanoo sanan ”ei mitään”, yritä ymmärtää, mitä merkitystä hän käyttää ja mitä ilmiötä hän yrittää selittää. Niin pitkälle kuin mielikuvituksemme voi viedä meidät, ainoa todellinen tietämys, jota voimme toivoa saavamme mistä tahansa asiasta, perustuu siihen, että koetamme sitä omassa fyysisessä todellisuudessamme. Kaikki muu, olipa se kuinka loogisesti perusteltua tahansa, on pelkkää mielemme rakennelmaa.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.