Авторизация  
Gabriel

Квантовый космос

Рекомендуемые сообщения

У нас уже есть отдельные темы про космос, про вселенную и атомы, но я бы хотел уделить внимание более узкой тематике - субатомному миру или квантовому космосу. Несмотря на сложность вопроса, даже без понимания матчасти интересно следить за открытиями в этой области, потому что она охватывает самый широкий спектр - кварки, гравитационные волны, черные дыры, суперструны,  и все прочее, что с первого взгляда воспринимается как страшное колдунство.

Больше всего интересно читать статьи и периодическую литературу и статьи, где подобные вопросы описываются не формулами, а более понятными образами.

В качестве примера хочу выложить интересную статью - рассуждение, что находится внутри нейтронной звезды?

Спойлер

Ядро нейтронной звезды находится в таком экстремальном состоянии, что физики не могут договориться о том, что происходит внутри неё. Но новый космический эксперимент — и несколько сталкивающихся нейтронных звёзд — должны показать, могут ли ломаться нейтроны


9c18f0c56279a7a2dd1080d3184d2a03.jpg

Предупреждения начали приходить рано утром 17 августа. Гравитационные волны, порождённые столкновением двух нейтронных звёзд — плотных ядер умерших звёзд — омывали Землю. Более 1000 физиков обсерватории aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) поспешили расшифровать вибрации пространства-времени, прокатившиеся по детекторам подобно долгому раскату грома. Тысячи астрономов боролись за право стать свидетелями послесвечения. Однако официально весь этот переполох держался в секрете. Нужно было собирать данные и писать научные работы. Внешний мир не должен был узнать об этом ещё два месяца.

Этот строгий запрет поставил Джоселин Рид и Катерино Чатциоаноу, двух членов коллаборации LIGO, в неловкое положение. Днём 17 числа они должны были вести конференцию, посвящённую вопросу о том, что происходит в невообразимых условиях внутренностей нейтронной звезды. А их темой как раз было то, как должно происходить слияние двух нейтронных звёзд. «Мы вышли на перерыв, сели и уставились друг на друга, — говорит Рид, профессор Калифорнийского университета в Фуллертоне. — Так как же мы это сделаем?»

Десятилетиями физики спорили о том, содержат или нет нейтронные звёзды в себе новые виды материи, появляющиеся, когда звезда ломает привычный мир протонов и нейтронов и создаёт новые взаимодействия между кварками или другими экзотическими частицами. Ответ на этот вопрос также пролил бы свет на астрономические загадки, окружающие сверхновые и появление тяжёлых элементов, вроде золота.

Кроме наблюдения за столкновениями при помощи LIGO, астрофизики разрабатывали творческие методы зондирования нейтронной звезды. Задача состоит в том, чтобы узнать какие-либо свойства её внутренних слоёв. Но сигнал, пришедший на LIGO, и подобные ему — испускаемые двумя нейтронными звёздами, обращающимися вокруг общего центра масс, притягивающимися друг к другу, и, наконец, врезающимися — предлагает совершенно новый подход к проблеме.

 

 

Странная материя


Нейтронная звезда — это сжатое ядро массивной звезды, очень плотные угли, оставшиеся после сверхновой. Её масса сравнима с солнечной, но сжата она до размеров города. Таким образом, нейтронные звёзды служат плотнейшими резервуарами материи во Вселенной — «последнее вещество на рубеже чёрной дыры», как говорит Марк Алфорд, физик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Пробурив такую звезду, мы бы приблизились к переднему краю науки. Пара сантиметров нормальных атомов — в основном, железо и кремний — лежат на поверхности, будто ярко-красное покрытие самых плотных сосательных конфет Вселенной. Затем атомы так сильно сжимаются, что теряют электроны, попадающие в общее море. Ещё глубже протоны начинают превращаться в нейтроны, находящиеся так близко, что они начинают перекрывать друг на друга.

694902e20036e73eea9e1ebf49b74cb1.jpg
Необыкновенное ядро нейтронной звезды. Физики пока ещё обсуждают, что именно находится внутри неё. Вот несколько основных идей.

 

 

Традиционная теория


Атмосфера — лёгкие элементы вроде водорода и гелия
Внешняя оболочка — ионы железа
Внутренняя оболочка — решётка ионов
Внешнее ядро — богатые нейтронами ионы в море свободных нейтронов

 

 

А что внутри?

 

  • В кварковом ядре нейтроны разваливаются на верхние и нижние кварки.
  • В гиперонном существуют нейтроны, состоящие из странных кварков.
  • В каонном — двухкварковые частицы с одним странным кварком.

Теоретики спорят о том, что происходит дальше, когда плотность в 2-3 раза начинает превышать плотность нормального атомного ядра. С точки зрения ядерной физики нейтронные звёзды могут просто состоять из протонов и нейтронов, то есть, нуклонов. «Всё можно объяснить вариациями нуклонов», — говорит Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук.

Другие астрофизики считают иначе. Нуклоны — не элементарные частицы. Они состоят из трёх кварков [на самом деле, нет — прим. перев.]. Под невероятно сильным давлением кварки могут сформировать новое состояние — кварковую материю. «Нуклоны — это не бильярдные шары», — говорит Дэвид Блашке, физик из Вроцлавского университета в Польше. «Они больше похожи на вишенки. Их можно немного сжимать, но в какой-то момент вы их раздавите».

Но некоторые считают джем из кварков слишком простым вариантом. Теоретики давно думают о том, что внутри нейтронной звезды могут появляться слои из более странных частиц. Энергия сжимаемых вместе нейтронов может перейти в создание более тяжёлых частиц, содержащих не только верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, но и более тяжёлые и экзотические странные кварки.

К примеру, нейтроны могут уступать место гиперонам, трёхкварковым частицам, в которые входит по меньшей мере один странный кварк. В лабораторных экспериментах гипероны получались, но они практически сразу исчезали. Внутри нейтронных звёзд они могут стабильно существовать миллионы лет.

Как вариант, скрытые глубины нейтронных звёзд могут быть заполнены каонами — также состоящими из странных кварков — собирающимися в один кусок материи, находящийся в едином квантовом состоянии.

Но несколько десятилетий поле этих исследований было в тупике. Теоретики изобретали идеи по поводу того, что может происходить внутри нейтронных звёзд, но это окружение настолько экстремальное и малознакомое, что эксперименты на Земле не могут воссоздать нужных условий. В Брукхейвенской национальной лаборатории и в ЦЕРН физики сталкивают друг с другом тяжёлые ядра, например, золота и свинца. Это создаёт состояние материи, напоминающее суп частиц, в котором присутствуют свободные кварки, известное, как кварк-глюонная плазма. Но это вещество получается разреженным, не плотным, а его температура в миллиарды или триллионы градусов оказывается гораздо выше, чем у внутренностей нейтронной звезды, внутри которой царят относительно прохладные температуры в миллионы градусов.

Даже теория возрастом в несколько десятилетий, описывающая кварки и ядра, "квантовая хромодинамика" или КХД, не может дать ответов на эти вопросы. Вычисления, требующиеся для изучения КХД в относительно холодных и плотных средах до такой степени ужасно сложные, что их нельзя провести даже на компьютере. Исследователям остаётся довольствоваться чрезмерными упрощениями и разными трюками.

Единственный вариант — изучать сами нейтронные звёзды. К несчастью, они очень далеки, тусклы, и очень сложно измерить у них что-либо кроме самых основных свойств. Что ещё хуже, самая интересная физика происходит под их поверхностью. «Ситуация напоминает лабораторию, в которой происходит что-то удивительное, — говорит Алфорд, — в то время, как вы можете видеть только свет из её окон».

Но с новым поколением экспериментов теоретики могут, наконец, вскоре взглянуть на это как следует.

b2951064afbb78004605dc1ba8467add.jpg
41ad6176a68abb71efb0757ba2a2af5a.jpg
Инструмент NICER прямо перед запуском на МКС. Он отслеживает рентгеновское излучение нейтронных звёзд

 

 

Мягкое или твёрдое?


Что бы ни находилось в ядре нейтронной звезды — свободные кварки, конденсат каонов, гипероны или старые, добрые нуклоны — этот материал должен держаться против сокрушительной гравитации, превышающей солнечную. Иначе звезда схлопнулась бы в чёрную дыру. Но разные материалы могут сжиматься гравитацией в разной степени, что определяет максимально возможный вес звезды для заданного физического размера.

Астрономы, вынужденные оставаться снаружи, распутывают эту цепочку, пытаясь понять, из чего состоят нейтронные звёзды. А для этого очень хорошо было бы знать, насколько они мягкие или жёсткие на сжатие. Чтобы узнать это, астрономам необходимо измерить массы и радиусы различных нейтронных звёзд.

Среди нейтронных звёзд легче всего взвешивать пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звёзды, радиолуч которых проходит сквозь Землю с каждым их поворотом. Порядка 10% из 2500 известных пульсаров относятся к двойным системам. В процессе движения этих пульсаров те их импульсы, что должны с равными промежутками достигать Земли, варьируются, выдавая движение пульсаров и их положение на орбитах. А зная орбиты, астрономы могут, воспользовавшись законами Кеплера и дополнительными поправками Эйнштейна и ОТО, находить массы этих парочек.

Пока что крупнейшим прорывом стало открытие неожиданно здоровых нейтронных звёзд. В 2010 году команда под руководством Скотта Рэнсома в Национальной радиоастрономической обсерватории Виргинии объявила, что измерила массу пульсара и нашла её равной двум солнечным — что гораздо больше ранее виденного. Некоторые даже сомневались в возможности существования таких нейтронных звёзд; это приводит к серьёзным последствиям для нашего представления о поведении ядер атомов. «Сейчас это одна из самых часто цитируемых работ по наблюдению за пульсарами, и всё благодаря физикам-ядерщикам», — говорит Рэнсом.

В соответствии с некоторыми моделями нейтронных звёзд, утверждающих, что гравитация должна их сильно сжимать, объект такой массы должен схлопнуться в чёрную дыру. Каонные конденсаты в таком случае пострадают, поскольку они достаточно мягкие, а также это не очень хорошо для некоторых вариантов квантовой материи и гиперонов, которые тоже сжались бы слишком сильно. Измерение было подтверждено открытием ещё одной нейтронной звезды, имеющей массу в две солнечных, в 2013 году.

56791821fe316cff38a4fda93e9b3663.jpg
Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета, провела измерения, из которых следует, что в ядрах нейтронных звёзд содержится экзотическая материя

С радиусами всё немного сложнее. Астрофизики, например, Ферьял Озель из Аризонского университета, разработала различные приёмы для подсчёта физического размера нейтронных звёзд при помощи наблюдения за рентгеновскими лучами, исходящими с их поверхности. Вот один способ: можно измерить общее рентгеновское излучение, использовать его для оценки температуры поверхности, и затем рассчитать размер нейтронной звезды, способной излучать такие волны (внося поправки на то, как они изгибаются из-за гравитации). Также можно искать горячие точки на поверхности нейтронной звезды, постоянно появляющиеся и исчезающие из поля зрения. Сильное гравитационное поле звезды будет изменять световые импульсы в зависимости от этих горячих точек. Разобравшись в гравитационном поле звезды, можно воссоздать её массу и радиус.

Если верить этим расчётам Озел, получается, что хотя нейтронные звёзды и бывают довольно тяжёлыми, их размер находится в пределах 20-22 км в диаметре.

Принятие того факта, что нейтронные звёзды маленькие и массивные «загоняет вас в рамки, в хорошем смысле», — говорит Озел. Она говорит, что так должны выглядеть нейтронные звёзды, набитые взаимодействующими кварками, а у нейтронных звёзд, состоящих только из нуклонов, радиус должен был быть большим.

3ae72a245a0edd58cdcf786b24ce8437.jpg
Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук, утверждает, что в ядрах нейтронных звёзд нейтроны остаются нетронутыми

Но у Латтимера, среди прочих критиков, есть сомнения по поводу предположений, используемых при рентгеновских измерениях — он считает, что они ошибочные. Он думает, что они могут неоправданно уменьшить радиус звёзд.

Обе соперничающие стороны считают, что их спор вскоре разрешится. В прошлом июне 11-я миссия SpaceX доставила на МКС ящик весом 372 кг, содержащий рентгеновский телескоп Найсер (англ. Neutron star Interior Composition Explorer, NICER). Найсер, в данное время собирающий данные, создан для определения размеров нейтронных звёзд через изучение горячих точек на их поверхности. Эксперимент должен выдать лучшие измерения радиусов нейтронных звёзд, считая пульсары, массы которых измерены.

«Мы все очень ждём результатов», — говорит Блашке. Точно измеренные масса и радиус даже одной нейтронной звезды сразу отметут множество вероятных теорий, описывающих их внутреннюю структуру, и оставит только те, что выдают определённое соотношение размера и веса.

А теперь к экспериментам подключился ещё и LIGO.

Сначала сигнал, который Рид обсуждала за кофе 17 августа, обрабатывали как результат столкновения чёрных дыр, а не нейтронных звёзд. И это имело смысл. Все предыдущие сигналы с LIGO были получены от чёрных дыр, более сговорчивых объектов с вычислительной точки зрения. Но в порождении этого сигнала участвовали более лёгкие объекты, а продолжался он гораздо дольше, чем происходит объединение чёрных дыр. «Совершенно очевидно, что это оказалась не такая система, на которых мы тренировались», — сказала Рид.

Когда две ЧД сближаются по спирали, они излучают орбитальную энергию в пространство время в виде гравитационных волны. Но в последнюю секунду нового 90-секундного сигнала, полученного LIGO, каждый объект испытал то, чего не испытывают ЧД: он деформировался. Пара объектов стала растягивать и сжимать материю друг друга, создавая волны, изымающие энергию их орбит. Это заставило их столкнуться быстрее, чем было бы в ином случае.

После нескольких месяцев неистовой работы с компьютерными симуляциями, группа Рид в LIGO выпустила своё первое измерение эффектов, оказываемых этими волнами на сигнал. Пока у команды есть только верхний предел — что означает, что эффект, оказываемый волнами, слаб или даже просто незаметен. А это значит, что нейтронные звёзды физически малы, и их материя удерживается вокруг центра в очень плотном состоянии, что препятствует её приливному растяжению. «Думаю, что первое измерение через гравитационные волны вроде бы подтверждает то, о чём говорили рентгеновские наблюдения», — говорит Рид. Но это ещё не конец. Она ожидает, что более сложное моделирование того же сигнала выдаст более точную оценку.

Найсер и LIGO предоставляют новые способы изучения нейтронных звёзд, и многие эксперты с оптимизмом ждут, что в следующие несколько лет появятся недвусмысленные ответы на вопрос сопротивления материала гравитации. Но теоретики, например, Альфорд, предупреждают, что простое измерение мягкости материи нейтронной звезды не даст полной информации о ней.

Возможно, другие признаки скажут больше. К примеру, идущие наблюдения за скоростью охлаждения нейтронных звёзд должны позволить астрофизикам рассуждать о присутствующих внутри них частицах и их способности излучать энергию. Или же изучение замедления их вращения может помочь определить вязкость их внутренностей.

Но, в любом случае, просто знать, в какой момент происходит фазовый переход материи и во что она превращается — это достойная задача, считает Альфорд. «Изучение свойств материи, существующей в разных условиях — это, в общем, и есть физика», — говорит он.

 

https://geektimes.ru/post/296231/

 

Так как следить за интересными новостями не всегда есть возможность, надеюсь на обмен интересными находками научных статей, которые расширят понимание устройства вселенной на двух столпах ее основания - квантовом мире и космосе.

  • Like 3

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

От меня сегодня будет не новость, но книжная рекомендация. Для тех, кто новичек в теме квантовой физики, я очень рекомендую вот эту книгу: http://www.fmllib.ru/nauchno-populyarnaya-literatura/6040/

 

На редкость хорошая научно-популярная книга, которая отлично вводит в курс дела, не боясь при этом формул и отдельных деталей, которые обычно пропускают. Помимо квантовой физики, там так же немало написано про научный метод в целом, что тоже очень хорошо.

 

У меня самого есть издание 3, это уже издание 4, думаю оно должно быть еще лучше.

  • Thanks 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

еще интересная статься. написана она сложным языком о сложных вещах, но тем не менее посвящена одному из самых любопытных квантовых явлений - суперпозиции.

Спойлер

Квантовый эффект Зенона помог контролировать состояния кубитов

8a5cd327812255718206816e97ccaa2a.jpg

 

S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Группа американских ученых экспериментально показала, что с помощью квантового эффекта Зенона можно контролировать состояние трансмонных кубитов, медленно изменяя фазу оператора наблюдения. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Когда наблюдатель измеряет свойства квантовой системы, он неизбежно взаимодействует с ней, что приводит к разрушению ее квантового состояния. Вообще говоря, после измерения система вовсе не обязана находиться в том же состоянии, что и до него. Известным примером этого свойства квантовых систем является кот Шрёдингера, который после измерения (открытия коробки) переходит либо в состояние «жив», либо в состояние «мертв», хотя изначально он находился в суперпозиции обоих состояний. Конечно, иногда изменением системы можно пренебречь, но в целом этот факт всегда нужно держать в уме.

Интересным проявлением этого свойства квантового мира является квантовый эффект Зенона. Заключается эффект в том, что чем чаще мы измеряем состояние квантовой системы, тем дольше оказывается время ее жизни; в предельном случае непрерывных измерений система не распадется вовсе. Все это напоминает стрелу из известной апории Зенона, которая покоится в каждый момент времени и, следовательно, стоит на месте. Говоря более строго, наблюдения подавляют эволюцию системы, заставляя ее оставаться в том состоянии, в котором мы ее «поймали». Этот эффект хорошо изучен теоретически и экспериментально проверен для многих квантовых систем. Подробнее прочитать о квантовом эффекте Зенона можно, например, в этой статье Ростислава Ведринского.

В новой статье группа ученых под руководством Шея Хакоена-Гурги (Shay Hacohen-Gourgy) экспериментально показала, что квантовый эффект Зенона можно использовать не только для подавления эволюции системы, но и для управления ее состоянием. Для этого нужно немного изменять фазу оператора наблюдения в ходе эксперимента. В качестве исследуемой системы они взяли трансмонный кубит (один из типов сверхпроводящего кубита), помещенный в трехмерную сверхпроводящую полость. Эволюция подобной системы описывается контурной квантовой электродинамикой (circuit-QED), определить состояния кубита можно, измеряя частоту колебаний поля в полости. Кроме того, физики приложили к системе возмущение с частотой, совпадающей с собственной частотой колебаний кубита, и получили эффективный кубит с новыми собственными состояниями. Именно для этого эффективного кубита они показали возможность изменять состояние с помощью наблюдений.

 

62ae9a8fbbcc2138ecd35b44a03f23eb.png

Схема эксперимента. Справа показаны частоты возмущений, которые прикладывались к системе

S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться
 
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Затем экспериментаторы провели серию опытов, в которых они с разной частотой измеряли состояния кубита, медленно изменяя фазу оператора наблюдения. Полученные данные они откладывали на сфере Блоха и сравнивали с теоретическими предсказаниями. Грубо говоря, сфера Блоха отражает, насколько состояние системы совпадает с одним из двух выбранных «чистых» состояний (например, состояния «спин вверх» и «спин вниз» для электрона). Оказалось, что в целом эксперимент хорошо совпадает с теорией, и состояние кубита медленно изменяется («перетаскивается») вместе с фазой оператора наблюдения, оставаясь при этом «чистым» состоянием (которому отвечает точка на поверхности сферы). Тем не менее, иногда система совершает скачок и переходит в диаметрально противоположную точку на сфере Блоха, то есть в ортогональное состояние. После «перескакивания» состояние продолжает поворачиваться, оставаясь чистым.

 

f9f9c4e2b1dc02c66858f9940a518034.png

Слева — эволюция состояния со временем в зависимости от частоты измерений; точки отвечают экспериментальным данным, линии — теории. Справа — эволюция системы со временем для периода изменений около пяти микросекунд; можно увидеть, как система «перескакивает» между квантовыми состояниями

S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться
 
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
140d34ed0201b3b96526917f5a84089e.png

Чистота состояний в ходе «перетаскивания» с зависимости от величины порога отбора данных

S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Под

Кроме того, ученые более подробно исследовали, как система «перескакивает» между ортогональными состояниями. Оказалось, что скачок происходит немного позже, чем предсказывает теория. При этом траектория системы проходит не через центр сферы Блоха, а выгибается в сторону, противоположную направлению «перетаскивания».

 

cac6ddd62183eacccdc1e7681ff88743.png

Эволюция состояний кубита со временем для двух различных «частот перетаскивания». Белая линия — экспериментальное положение «оси перескока», красная — теоретическое

S. Hacohen-Gourgy et al. / Phys. Rev. Lett.

Поделиться
  
  •  

  •  

Авторы статьи считают, что изученный ими эффект поможет регистрировать ошибки, возникающие в кубитах квантовых компьютеров во время вычислений, поскольку он позволяет не только изменять, но и отслеживать состояния кубита.

Ранее мы писали, как две группы ученых экспериментально доказали, что квантовый эффект Зенона действительно проявляется при измерении состояний атомов сильно охлажденного газа рубидия-87. Кроме того, осенью этого года исследователи продемонстрировали эффект, напоминающий квантовый эффект Зенона: им удавалось контролировать поток тепла, изменяя частоту наблюдений за термоэлектронным наноразмерным прибором. В том числе — направлять его от холодного тела к горячему вопреки второму закону термодинамики.

Дмитрий Трунин

https://nplus1.ru/news/2018/01/15/zeno-qubit

 

более всего интересен тезис в конце. кубиты это одно, но взаимосвязь температуры объекта от частоты наблюдения уже вплотную подступает к влиянию квантовой суперпозиции на макромир. как будто бы температура за окном менялась в зависимости от того, как часто мы выставляли термометр наружу.

ссылка на эксперимент из последнего абзаца:

https://nplus1.ru/news/2017/10/10/quantum-current

Изменено пользователем Gabriel
  • Like 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты
2 часа назад, Gabriel сказал:

более всего интересен тезис в конце. кубиты это одно, но взаимосвязь температуры объекта от частоты наблюдения уже вплотную подступает к влиянию квантовой суперпозиции на макромир. как будто бы температура за окном менялась в зависимости от того, как часто мы выставляли термометр наружу.


Мое чисто интуитивное мнение заключается в том, что квантовые законы и явления однозначно влияют на макромир, и весьма нетривиальным образом.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Я тоже так думаю, даже не сомневаюсь в этом. И дело не в том, что все мы состоим из адронов, живущих по законам квантового мира, и не в прикладном применении полученых знаний, вроде суперпроводников и квантовых компьютеров. Просто я не сомневаюсь, что вселенная живет совсем не так, как нам кажется. 

Например, раньше думалось, что вселенная расширяетя, теперь же оказалось, что расширяется пространство в каждой точке его нахождения. Словно пена. 

Или так называемая темная материя и энергия, чья суммарная доля составляет 90% вселенной. Конечно, это может быть колосальная масса частиц подобных нейтрино, которые крайне сложно регистрировать, но сейчас ученые склоняются к существованию сверхлегких частиц с нулевым зарядом, находящиеся в состоянии суперсимметрии (даже красивое название им придумали - нейтралино). Просто тут уже один шаг до теории, что львиная доля вселенной находится в суперпозиции и пока нет еще такого тензора оператора, который наблюдением (измерением) может задать ее значение. То есть вселенная еще не достроена на фундаментальном уровне, если можно так выразиться. Хотя это конечно уже вотчина научной фантастики, но кто знает, кто знает.

Изменено пользователем Gabriel
  • Like 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

пока без открытий, просто гипотезы и любопытное чтиво

Может ли Вселенная возникнуть из... ничего?

Спойлер

Флуктуации вакуума могут послужить причиной образования виртуальных протовселенных, которые при определенных условиях способны перейти из виртуального состояния в реальное.

 

Физики долгие годы пытаются построить квантовую теорию гравитации - пока, к сожалению, безуспешно. Практически все они согласны, что такая теория должна объединить эйнштейновскую релятивистскую теорию тяготения с квантовой механикой, а это очень и очень непростая задача.

 

Квантовая механика при всех своих парадоксах все же описывает свойства объектов, существующих в неискривленном ньютоновском пространстве. Будущая теория гравитации должна распространить вероятностные квантовомеханические законы на свойства самого пространства (точнее, пространства-времени), деформированного в соответствии с уравнениями общей теории относительности. Как это сделать с помощью строгих математических выкладок, никто еще толком не знает.

 

Холодное рождение

Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.

Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 1032 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума — точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.

 

Вселенная без энергии

Что для этого нужно? Первое и главное условие — зародыш будущей вселенной должен иметь нулевую полную энергию. В этом случае он не только не обречен на практически мгновенное исчезновение, но, напротив, может просуществовать сколь угодно долго. Это связано с тем, что, согласно квантовой механике, произведение неопределенности величины энергии объекта на неопределенность его времени жизни не должно быть меньше конечной величины — постоянной Планка.

 

Разделение фундаментальных взаимодействий в нашей ранней Вселенной носило характер фазового перехода. При очень высоких температурах фундаментальные взаимодействия были объединены, но при остывании ниже критической температуры разделения не произошло (это можно сравнить с переохлаждением воды). В этот момент энергия скалярного поля, связанного с объединением, превысила температуру Вселенной, что наделило поле отрицательным давлением и послужило причиной космологической инфляции. Вселенная стала очень быстро расширяться, и в момент нарушения симметрии (при температуре около 1028 К) ее размеры увеличились в 1050 раз. В этот момент исчезло и скалярное поле, связанное с объединением взаимодействий, а его энергия трансформировалась в дальнейшее расширение Вселенной.

 

Коль скоро энергия объекта строго равна нулю, она известна без всяких неопределенностей, и потому время его жизни может быть бесконечно большим. Именно благодаря этому эффекту два заряженных тела, расположенных на очень больших расстояниях, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Они взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами, которые, в силу своей нулевой массы, распространяются на любые дистанции. Напротив, калибровочные векторные бозоны, переносящие слабые взаимодействия, в силу большой массы существуют лишь около 10-25 секунды, вследствие чего эти взаимодействия обладают очень малым радиусом.

Что же за вселенная, пусть и эмбриональная, с нулевой энергией? Как объяснил «Популярной механике» профессор Краусс, в этом нет ничего мистического: «Энергия такой вселенной складывается из положительной энергии частиц и излучений (и, возможно, также скалярных вакуумных полей) и отрицательной потенциальной энергии тяготения. Их сумма может быть равна нулю — математика это допускает. Однако очень важно, что такой энергетический баланс возможен лишь в замкнутых мирах, пространство которых имеет положительную кривизну. Плоские и тем более открытые вселенные таким свойством не обладают».

 

4abaeb6b9c9d266c6d2e955545a2e27f.jpg

Фазовый переход происходил в эволюции Вселенной три раза: при температуре 1028 K (распалось Великое объединение взаимодействий), 1015 К (распад электрослабого взаимодействия) и 1012 K (кварки стали объединяться в адроны).

 

Чудеса инфляции

Что произойдет, если квантовые флуктуации вакуума породят виртуальную вселенную с нулевой энергией, которая в силу квантовых случайностей получила какое-то время для жизни и эволюции? Это зависит от ее состава. Если пространство вселенной заполнено веществом и излучением, она сначала будет расширяться, достигнет максимального размера и схлопнется в гравитационном коллапсе, просуществовав лишь ничтожную долю секунды. Другое дело, если в пространстве имеются скалярные поля, способные запустить процесс инфляционного расширения. Существуют сценарии, в которых это расширение не только предотвращает гравитационный коллапс «пузырьковой» вселенной, но и превращает ее в почти плоский и безграничный мир. Тем самым неизмеримо вырастает и время ее жизни — практически до бесконечности. Таким образом, крошечная виртуальная вселенная становится вполне реальной — огромной и долгоживущей. Даже если ее возраст конечен, он вполне может намного превысить нынешний возраст нашей Вселенной. Поэтому там могут появиться звезды и звездные скопления, планеты и даже, чем черт не шутит, разумная жизнь. Полноценное мироздание, возникшее буквально из ничего — вот на какие чудеса способна инфляция!

 

Статья «Миры из пустоты» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2012).

 

  • Like 2

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Регистрация нового пользователя

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Войти

Авторизация