miejsce, pełne materii i energii, w różnych formach, rozgrywające się na scenie czasoprzestrzeni, zgodnie z prawami fizyki. Przykładem tego jest ten obraz gromady galaktyk IDCS J1426.5+3508 z teleskopu kosmicznego Hubble’a. Jak wiele trzeba jednak zabrać, by naprawdę pozostać z niczym? NASA, ESA, and M. Brodwin (University of Missouri)

Gdy rozglądamy się dziś po naszym świecie i Wszechświecie, mówimy i myślimy o wszystkich rzeczach, które się w nim znajdują. Począwszy od cząsteczek, atomów i istot ludzkich, po planety, gwiazdy, galaktyki i największe struktury ze wszystkich. W zależności od tego, co nas interesuje, możemy dyskutować o gazie, pyle, promieniowaniu, czarnych dziurach, a nawet ciemnej materii. Jednak wszystkie te rzeczy, które widzimy, obserwujemy lub wnioskujemy o ich istnieniu dzisiaj, mogły nie istnieć od zawsze. Niektóre z nich powstały z jakiejś istniejącej wcześniej materii, która była w pobliżu, ale inne najwyraźniej powstały z niczego. Nic dziwnego, że nie wszyscy zgadzają się co do tego, co mamy na myśli z naukowego punktu widzenia, kiedy mówimy o tym, czym właściwie jest „nic”. W zależności od tego, kogo zapytasz (lub kiedy zapytasz), możesz otrzymać jedno z czterech odrębnych znaczeń. Oto dlaczego wszystkie one są istotne.

innych galaktyk w jej sąsiedztwie przez 100 milionów lat świetlnych w dowolnym kierunku. Nie jest to jednak prawdziwa realizacja pustej przestrzeni. ESA/Hubble & NASA i N. Gorin (STScI); Podziękowania: Judy Schmidt

1.) Czas, w którym interesująca Cię „rzecz” nie istniała. Jak Wszechświat stworzył planety? A co z gwiazdami? Co z asymetrią materii? Te rzeczy nie zawsze istniały, ale raczej musiały zostać stworzone. Kiedy mechanizm jest znany, zwykle mówimy, że nasza „rzecz” powstała z czegoś, a nie z niczego. Planety powstały z przetworzonego detrytusu poprzednich generacji gwiazd, gdzie ciężkie pierwiastki składające się na ich rdzenie i stałe powierzchnie zostały wytworzone, a następnie wyrzucone z powrotem do ośrodka międzygwiezdnego. Gwiazdy powstają z kurczących się obłoków gazu, zawierających obszary, które stają się wystarczająco gęste i gorące, aby zapoczątkować fuzję jądrową. Zarówno planety, jak i gwiazdy są materią, która pochodzi z wcześniej istniejących form materii; są rzeczą, która pochodzi z czegoś, a nie z niczego.

promieniowanie, z nieco większą ilością materii powstałej w pewnym momencie, prowadząc do naszego dzisiejszego Wszechświata. Jak powstała ta asymetria, lub powstała tam, gdzie nie było asymetrii na początku, jest wciąż otwartym pytaniem. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ale materia, którą mamy dzisiaj, nie powstała z wcześniej istniejącej materii. W pewnym momencie w odległej przeszłości Wszechświat składał się z równych ilości materii i antymaterii; prawa fizyki, które odkryliśmy, umożliwiają nam jedynie tworzenie ich w równych ilościach. Jednak Wszechświat, który mamy dzisiaj, jest w przeważającej mierze zbudowany z materii, a nie z antymaterii, gdzie każda z miliardów miliardów galaktyk, o których wiemy, jest zbudowana z materii, a nie z antymaterii. Skąd wzięła się nasza asymetria materii? Z wcześniejszego symetrycznego stanu; ze stanu, w którym materia i antymateria istniały w równych ilościach. Z czasu, kiedy nie było asymetrii. Według niektórych oznacza to, że materia, którą mamy dzisiaj, powstała z niczego, chociaż inni, którzy ściśle trzymają się jednej z pozostałych definicji, nie zgadzają się z tym.

Mimo to nikt nie kwestionuje, że naukowy problem bariogenezy, czyli pochodzenia asymetrii materia-antymateria, jest jedną z najbardziej palących zagadek dzisiejszej fizyki teoretycznej. Wiele pomysłów i mechanizmów wskazuje na to, jak nasza materia (a nie antymateria) powstała, ale brakuje nam dowodów, by ogłosić zwycięzcę.

dla trzech z czterech sił (z wyjątkiem grawitacji), pełnego zestawu odkrytych cząstek i wszystkich ich oddziaływań. Z powiązanej z tym kwantowej teorii pola możemy również określić własności próżni kwantowej. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL

2.) Pusta przestrzeń. Pomyśl o wszystkich „rzeczach”, które istnieją obecnie we Wszechświecie. Pomyśl o każdym podstawowym składniku materii, o każdym kwancie promieniowania, o każdej czarnej dziurze, o każdej masie, o każdej cząstce i antycząstce. Teraz wyobraź sobie, że usuwamy je wszystkie. Wyobraź sobie, że w jakiś sposób usuwasz je z Wszechświata, nie pozostawiając za sobą nic poza pustą przestrzenią. Co byś zostawił? Niektórzy nazywają to „niczym” i są całkiem zadowoleni z tej definicji.

obliczenia pokazujące wirtualne cząstki w próżni kwantowej. Nawet w pustej przestrzeni, ta energia próżni jest niezerowa. Derek Leinweber

Istota znana jako czasoprzestrzeń wciąż tam jest, podobnie jak prawa fizyki. Wszystkie pola obecne w pustej przestrzeni, od pola Higgsa do pól grawitacyjnych do pól kwantowych, które często wizualizujemy jako pary cząstka-antycząstka wpadające i wypadające z istnienia, są nadal obecne. Prawa fizyczne, takie jak kwantowa teoria pola, wciąż istnieją; ogólna teoria względności wciąż istnieje; podstawowe stałe nie tylko wciąż istnieją, ale mają te same wartości, co dzisiaj. A sama próżnia pustej przestrzeni nadal posiada energię punktu zerowego, która jest niezerowa. Objawia się ona dziś jako ciemna energia, a w odległej przeszłości, z zupełnie inną niezerową wartością, była siłą napędową inflacji kosmologicznej. Kiedy ludzie mówią o powstaniu Wszechświata z niczego, to właśnie ten rodzaj „niczego” mają na myśli: gorący Wielki Wybuch zrodzony przez inflację.

materii, energii lub krzywizny dowolnego typu. Jeśli ta przestrzeń ma najniższą możliwą energię punktu zerowego, nie będzie można jej już zredukować. Amber Stuver / Living Ligo

3.) Pusta czasoprzestrzeń w stanie o najniższej możliwej energii. Co by się stało, gdyby energia punktu zerowego Wszechświata została zredukowana do swojego prawdziwego stanu podstawowego? Kiedy skończyła się inflacja, nastąpił ogromny spadek energii próżni we Wszechświecie: od skali inflacji do wartości, jaką ma obecnie. Ten spadek energii pustej przestrzeni był odpowiedzialny za ogromny wzrost energii cząstek oraz za powstanie gorącego Wielkiego Wybuchu. Nie ma jednak żadnej gwarancji, że znajdujemy się teraz w prawdziwie najniższym stanie energetycznym; możliwe, że jesteśmy jedynie w stanie fałszywej próżni, a prawdziwa próżnia czeka na nas po kolejnej katastrofalnej, zmieniającej Wszechświat przemianie.

energia E jest wyższa niż w prawdziwej próżni lub stanie podstawowym, ale istnieje bariera uniemożliwiająca klasyczne staczanie się pola do prawdziwej próżni. Podczas inflacji. Wszechświat nie jest w stanie prawdziwej próżni; dzisiaj też może nie być. Wikimedia Commons użytkownik Stannered

Gdybyś osiągnął jakikolwiek prawdziwy stan gruntu i wyrzucił całą materię, energię, promieniowanie i falowanie czasoprzestrzeni ze swojego Wszechświata, co by ci pozostało? To jest, być może, ostateczna idea tego, czym może być „fizyczna nicość”: gdzie wciąż masz scenę dla Wszechświata, na której może się on rozgrywać. Może nie ma graczy, nie ma obsady, nie ma scenariusza ani sceny, ale w wielkiej otchłani nicości wciąż masz scenę. Kosmiczna próżnia byłaby na minimalnym poziomie; nie byłoby nadziei na wydobycie pracy, energii czy prawdziwych cząstek z tej próżni, ale czasoprzestrzeń i prawa fizyki wciąż by istniały. W teorii, gdybyś dodał cząstkę do tego Wszechświata, nie różniłaby się ona tak bardzo od izolowanej cząstki istniejącej w naszym dzisiejszym Wszechświecie.

Wszechświat zawdzięcza swoje powstanie gorącemu Wielkiemu Wybuchowi. Bardziej fundamentalnie, Wszechświat, który mamy dzisiaj, może powstać tylko dzięki właściwościom czasoprzestrzeni i prawom fizyki. Bez nich nie możemy mieć istnienia w żadnej formie. NASA / GSFC

4.) To, co zostaje, gdy odejmiesz cały Wszechświat i rządzące nim prawa. Wreszcie można sobie wyobrazić usunięcie wszystkiego, łącznie z przestrzenią, czasem i zasadami rządzącymi jakimikolwiek cząstkami lub kwantami energii. W ten sposób powstaje rodzaj „niczego”, którego fizycy nie mają definicji. To wykracza poza „nic” istniejące we Wszechświecie, zamiast tego realizując jakiś rodzaj filozoficznej, absolutnej nicości. Ale w kontekście fizyki nie możemy nadać sensu takiemu rodzajowi nicości. Musielibyśmy założyć, że istnieje coś takiego jak stan poza przestrzenią i czasem, gdzie można mieć wyłonienie się czasoprzestrzeni z tego hipotetycznego stanu prawdziwej nicości.

Ale czy to jest możliwe? Jak czasoprzestrzeń wyłania się w konkretnym miejscu, skoro nie ma czegoś takiego jak przestrzeń? Jak można stworzyć początek czasu, skoro nie istnieje pojęcie czegoś takiego jak „przed”, a czas już nie istnieje? I skąd w takim razie wzięłyby się reguły rządzące cząstkami i ich oddziaływaniami? Czy ta ostateczna definicja „niczego” w ogóle coś znaczy, czy jest to tylko logiczna konstrukcja bez własnego fizycznego znaczenia?

skala kwantowa zostaje rozciągnięta we Wszechświecie podczas inflacji, dając początek niedoskonałościom zarówno w gęstości, jak i falach grawitacyjnych. Podczas gdy nadmuchiwana przestrzeń może być słusznie nazywana „niczym” pod wieloma względami, nie wszyscy się z tym zgadzają. E. Siegel, z obrazami pochodzącymi z ESA/Planck i międzyagencyjnej grupy zadaniowej DoE/NASA/ NSF ds. badań CMB

Nie ma tu konsensusu. Język jest tak wieloznaczny, że możesz powiedzieć „nic” i legalnie odnieść się do któregokolwiek z nich, a puryści z niecierpliwością czekają, aby na ciebie nakrzyczeć, jeśli odważysz się użyć „nic” w kontekście, który jest mniej czysty niż ich definicja. Jeśli coś fundamentalnie powstało tam, gdzie wcześniej tego nie było, możesz to nazwać niczym, ale nie wszyscy się z tym zgodzą. Je±li odejmiesz materi¦, antymateri¦, promieniowanie, a nawet krzywizn¦ przestrzenn¡, mo „esz z pewno±ci¡ twierdzi¢, „e to jest to, czym jest „nic”, ale istniej¡ pewne „rzeczy”, które wci¡”¡¡¡¡”aj¡. Je±li następnie odejmiesz wszelk¡ energi¦ nierozerwalnie zwi¡zan¡ z przestrzeni¡, pozostawiaj¡c jedynie czasoprzestrze¢ i prawa natury, mo „esz to równie” nazwa¢ „niczym”. Jednak z filozoficznego punktu widzenia niektórzy ludzie nadal będą niezadowoleni. Tylko przez odebranie tego również niektórzy w końcu zgodzą się nazwać taki byt „niczym”.”

Przewiduje się, że Model Standardowy istnieje jako konsekwencja praw fizyki. Czy bez tych praw, lub bez etapu czasoprzestrzeni, może powstać cokolwiek sensownego? E. Siegel / Beyond The Galaxy

Więc kto ma rację? Wszyscy mają, na swój sposób. Kluczem nie jest spieranie się czy walka o to, czym tak naprawdę jest „nic”, ale zaakceptowanie i zrozumienie tych definicji tak, jak ludzie ich używają. Najważniejsze jest, aby nie mylić jednego znaczenia z innym, ani nie wdawać się w kłótnie o to, dlaczego użycie danego słowa w określony sposób jest niewłaściwe. Zamiast tego, kiedy ktoś – zwłaszcza naukowiec – wypowiada słowo „nic”, spróbuj zrozumieć, jakiego znaczenia używa i jakie zjawisko próbuje wyjaśnić. Tak daleko, jak tylko może nas zaprowadzić nasza wyobraźnia, jedyna prawdziwa forma wiedzy, jaką możemy mieć nadzieję posiąść na temat czegokolwiek, polega na sprawdzeniu tego w naszej własnej fizycznej rzeczywistości. Wszystko inne, bez względu na to, jak logicznie brzmi, jest tylko konstrukcją naszych umysłów.

Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.