plats, full av materia och energi, i olika former, som utspelar sig på rymdtidens scen, i enlighet med fysikens lagar. Detta exemplifieras av den här bilden från Hubble-rymdteleskopet av galaxklustret IDCS J1426.5+3508. Men hur mycket måste man ta bort innan man verkligen har ingenting kvar? NASA, ESA och M. Brodwin (University of Missouri)
När vi ser oss omkring i vår värld och vårt universum i dag talar vi om och tänker på allt som finns i den. Dessa sträcker sig från partiklar, atomer och människor till planeter, stjärnor, galaxer och de största strukturerna av alla. Beroende på vad vi är intresserade av kan vi diskutera gas, stoft, strålning, svarta hål eller till och med mörk materia. Men alla de saker som vi ser, observerar eller drar slutsatser om deras existens i dag kanske inte har funnits där för alltid. En del av dessa har uppstått ur någon redan existerande materia som funnits tidigare, men andra har till synes kommit från ingenting. Föga förvånande är inte alla överens om vad vi vetenskapligt menar när vi talar om vad ”ingenting” egentligen är. Beroende på vem du frågar (eller när du frågar dem) kan du få en av fyra olika betydelser. Här är varför de alla är relevanta.
andra galaxer i dess närhet på 100 miljoner ljusår i alla riktningar. Ändå är detta inte ett sant förverkligande av tomrummet. ESA/Hubble & NASA och N. Gorin (STScI); Tack: Judy Schmidt
1.) En tid då din ”sak” av intresse inte existerade. Hur skapade universum planeter? Hur är det med stjärnor? Vad sägs om en materiaasymmetri? Dessa saker har inte alltid funnits, utan var tvärtom tvungna att skapas. När mekanismen är känd brukar vi säga att vår ”sak” skapades från något, snarare än från ingenting. Planeter kom från det återvunna avfallet från tidigare generationer av stjärnor, där de tunga grundämnen som utgör deras kärnor och fasta ytor skapades och sedan stöttes ut igen i det interstellära mediet. Stjärnor kommer från sammandragande gasmoln, som innehåller områden som blir tillräckligt täta och varma för att antända kärnfusion. Både planeter och stjärnor är materia som kommer från redan existerande former av materia; de är en sak som kommer från något, snarare än från ingenting.
Strålning, med något mer materia som skapas vid någon tidpunkt, vilket leder till vårt universum i dag. Hur denna asymmetri uppstod, eller uppstod från en plats där det inte fanns någon asymmetri till att börja med, är fortfarande en öppen fråga. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Men den materia vi har idag kom inte från redan existerande materia. Någon gång i ett avlägset förflutet bestod universum av lika stora mängder materia och antimateria; de fysikaliska lagar som vi har upptäckt gör det bara möjligt för oss att skapa dem i lika stora mängder. Ändå består det universum vi har idag till överväldigande del av materia och inte av antimateria, där varenda en av de miljarder och åter miljarder galaxer vi känner till består av materia och inte av antimateria. Varifrån kom vår asymmetri i fråga om materia? Från ett tidigare symmetriskt tillstånd; från ett tillstånd där materia och antimateria fanns i lika stora mängder. Från en tid då det inte fanns någon asymmetri. Enligt vissa innebär detta att den materia vi har idag uppstod från ingenting, även om andra som strikt håller sig till någon av de andra definitionerna bestrider detta.
Tidigare bestrider ingen att det vetenskapliga problemet med baryogenes, eller ursprunget till asymmetrin mellan materia och antimateria, är en av de mest angelägna gåtorna inom den teoretiska fysiken idag. Det finns många idéer och mekanismer för hur vår materia (och inte antimateria) kom att existera, men vi saknar de bevis som krävs för att utropa en segrare.
för tre av de fyra krafterna (utom gravitationen), alla de upptäckta partiklarna och alla deras växelverkningar. Från den tillhörande kvantfältsteorin kan vi också räkna ut egenskaper hos kvantvakuumet. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL
2.) Tomt utrymme. Tänk på alla ”saker” som finns i universum idag. Tänk på varje grundläggande beståndsdel av materia; varje kvant av strålning; varje svart hål; varje massa; varje partikel och antipartikel. Tänk dig nu att ta bort dem alla. Föreställ dig att du på något sätt tar dem ut ur universum och inte lämnar något annat än tomt utrymme kvar. Vad skulle du ha kvar? Vissa kallar det för ”ingenting” och är ganska nöjda med den definitionen.
beräkning som visar virtuella partiklar i kvantvakuum. Även i tomt utrymme är denna vakuumenergi inte noll. Derek Leinweber
Den enhet som kallas rymdtid finns fortfarande kvar, liksom fysikens lagar. Alla fält som finns i tomrummet, från Higgsfältet till gravitationsfält till de kvantfält som vi ofta visualiserar som partikel-antipartikelpar som poppar in och ut ur existensen finns fortfarande kvar. Fysiska lagar som kvantfältsteorin finns fortfarande kvar; den allmänna relativitetsteorin finns fortfarande kvar; de grundläggande konstanterna finns inte bara kvar, utan de har samma värden som de har i dag. Och vakuumet i den tomma rymden har fortfarande en nollpunktsenergi som inte är noll. Detta manifesterar sig som mörk energi i dag, och med ett helt annat icke-nollvärde i ett avlägset förflutet var det den drivande kraften bakom den kosmologiska inflationen. När folk talar om att universum uppstår ur ingenting är det denna typ av ”ingenting” de syftar på: den heta Big Bang som föds av inflationen.
materia, energi eller krökning av något slag. Om detta utrymme har den lägsta möjliga nollpunktsenergin kommer det inte att vara möjligt att reducera den ytterligare. Amber Stuver / Living Ligo
3.) Tom rymdtid i det lägsta möjliga energitillståndet. Vad händer om universums nollpunktsenergi reducerades till sitt verkliga grundtillstånd? När inflationen tog slut skedde en enorm minskning av universums vakuumenergi: från inflationsskalan till det värde den har i dag. Denna minskning av energin i det tomma utrymmet var orsaken till den massiva ökningen av partikelenergin och ursprunget till den heta Big Bang. Men det finns ingen garanti för att vi befinner oss i det sanna lägsta energitillståndet just nu; det är möjligt att vi bara befinner oss i ett falskt vakuumtillstånd, och att det sanna vakuumet väntar på oss efter en annan katastrofal övergång som förändrar universum.
energin E är högre än den i det sanna vakuum- eller grundtillståndet, men det finns en barriär som hindrar fältet från att klassiskt rulla ner till det sanna vakuumet. Under inflationen befinner sig universum inte i ett sant vakuumtillstånd; i dag kanske det inte heller är det. Wikimedia Commons-användare Stannered
Om du nådde vad det sanna grundtillståndet än är och utvisade all materia, energi, strålning och rymdtidsrippel från ditt universum, vad skulle du då få kvar? Det är kanske den ultimata idén om vad ”fysiskt ingenting” kan vara: där du fortfarande har en scen för universum att spela ut på. Det kanske inte finns några spelare, ingen skådespelare, inget manus och ingen scen, men i den stora avgrunden av ingenting har du fortfarande en scen. Det kosmiska vakuumet skulle vara som minst; det skulle inte finnas något hopp om att utvinna arbete, energi eller verkliga partiklar ur detta vakuum, men rymdtiden och fysikens lagar skulle fortfarande finnas kvar. I teorin skulle en partikel, om man lade till en partikel i detta universum, inte skilja sig så mycket från en isolerad partikel som existerar i vårt universum i dag.
Universum har sitt ursprung i den heta Big Bang. Mer grundläggande är att det universum vi har idag endast kan uppstå på grund av rymdtidens egenskaper och fysikens lagar. Utan dem kan vi inte ha någon existens i någon form. NASA / GSFC
4.) Det som återstår när man tar bort hela universum och de lagar som styr det. Äntligen kan man tänka sig att ta bort allt, inklusive rymd, tid och de regler som styr alla slags partiklar eller energikvanter. Detta skapar en typ av ”ingenting” som fysikerna inte har någon definition på. Detta går bortom ”ingenting” som det existerar i universum och förverkligar i stället ett slags filosofiskt, absolut ingenting. Men inom ramen för fysiken kan vi inte förstå denna typ av ingenting. Vi skulle vara tvungna att anta att det finns något sådant som ett tillstånd utanför rum och tid, där man kan ha uppkomsten av rymdtid från detta hypoteserade tillstånd av sant ingenting.
Men är det möjligt? Hur uppstår rymdtid på en viss plats när det inte finns något sådant som rymd? Hur kan man skapa tidens början om det inte finns något begrepp som ”före” utan att tiden redan existerar? Och varifrån skulle då reglerna för partiklar och deras växelverkan uppstå? Betyder denna slutliga definition av ”ingenting” ens något alls, eller är det bara en logisk konstruktion utan egen fysisk betydelse?
skalan sträcks ut över universum under inflationen, vilket ger upphov till ofullkomligheter i både densitet och gravitationsvågor. Även om uppblåst rymd med rätta kan kallas ”ingenting” i många avseenden är det inte alla som håller med. E. Siegel, med bilder från ESA/Planck och DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
Det finns ingen konsensus här. Med ett språk som är så tvetydigt som det är, kan man säga ”ingenting” och legitimt hänvisa till någon av dessa, med purister som ivrigt väntar på att skrika åt dig om du vågar använda ”ingenting” i ett sammanhang som är mindre rent än deras definition. Om något fundamentalt uppstod där det inte fanns något sådant tidigare kan du kalla det ingenting, men alla kommer inte att hålla med. Om man tar bort all materia, antimateria, strålning och till och med rumslig krökning kan man förvisso hävda att det är det som ”ingenting” handlar om, men det finns vissa ”saker” som fortfarande finns kvar. Om man sedan tar bort all energi som är inneboende i själva rymden och bara lämnar kvar rumtiden och naturlagarna kan man också kalla det för ”ingenting”. Men filosofiskt sett kommer vissa människor fortfarande att vara missnöjda. Endast genom att ta bort även detta kommer vissa slutligen att acceptera att kalla en sådan entitet för ”ingenting”.
Modellen förutsägs existera som en konsekvens av fysikens lagar. Utan dessa lagar, eller utan rymdtidens stadium, kan något vettigt någonsin uppstå? E. Siegel / Beyond The Galaxy
Så vem har rätt? De har alla rätt, på sitt eget sätt. Nyckeln är inte att argumentera eller slåss om vad ”ingenting” verkligen är, utan att acceptera och förstå dessa definitioner så som människor använder dem. Det är av största vikt att inte blanda ihop en betydelse med en annan, eller att hamna i ett käbbel om varför det är fel att använda ett ord på ett visst sätt. När någon – särskilt en vetenskapsman – säger ordet ”ingenting” bör man i stället försöka förstå vilken betydelse de använder och vilket fenomen de försöker förklara. För hur långt vår fantasi än kan föra oss, så är den enda sanna formen av kunskap vi kan hoppas på att få om någonting överhuvudtaget beroende av att vi sätter det på prov i vår egen fysiska verklighet. Allt annat, oavsett hur logiskt vettigt det är, är bara en konstruktion av våra sinnen.
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.