Lawrence M. Krauss. A Universe from Nothing / Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.: Chapter 10: Nothing Is Unstable

Глава 10: Нестабильное ничто

cosinus 05.02.14 в 09:16

Fiat justitia, ruat caelum.

Irina73 05.02.14 в 10:54

(Пусть свершится правосудие и рухнет небо).

cosinus 05.02.14 в 09:20

- ДРЕВНЕРИМСКАЯ ПОСЛОВИЦА

cosinus 05.02.14 в 09:21

Существование энергии в пустом пространстве (открытие, потрясшее нашу космологическую вселенную, и идея, составляющая краеугольный камень инфляции) только укрепляет в квантовом мире то, что уже хорошо себя зарекомендовало в связи с определенного рода лабораторными экспериментами, о которых я уже упоминал.

cosinus 06.02.14 в 11:30

Пустое пространство сложно для понимания.

cosinus 06.02.14 в 11:32

Это кипящее варево виртуальных частиц, которые появляются и исчезают за время столь короткое, что мы не можем видеть их непосредственно.

cosinus 06.02.14 в 11:33

Виртуальные частицы являются проявлениями основного свойства квантовых систем.

cosinus 06.02.14 в 11:35

В основе квантовой механики лежит правило, которое иногда управляет политиками или Центрами по наблюдению Земли - пока никто не наблюдает, что-то происходит.

cosinus 06.02.14 в 11:39

Системы продолжают двигаться, ежеминутно находясь между всеми возможными состояниями, в том числе состояниями, которые были бы недопустимы, если бы система была фактически измерена.

cosinus 06.02.14 в 11:49

Эти "квантовые флуктуации" указывают на неотъемлемую особенность квантового мира: ничто всегда производит что-то, хотя бы на мгновение.

cosinus 06.02.14 в 11:53

Но вот беда.

cosinus 06.02.14 в 11:53

Сохранение энергии говорит нам, что квантовые системы могут нарушать закон лишь на небольшое время.

cosinus 06.02.14 в 11:54

Как при присвоении денег биржевым брокером, если состояние, в котором колеблется система, тайком присвоит некоторое количество энергии пустого пространства, то система должна вернуть эту энергию во время, достаточно короткое, чтобы никто, производящий измерения в системе, не смог этого обнаружить.

cosinus 06.02.14 в 12:00

В результате, вы можете позволить себе с уверенностью утверждать, что это "что-то", созданное квантовыми флуктуациями, эфемерно - не поддается измерению, в отличие, скажем, от вас, или меня, или Земли, на которой мы живем.

cosinus 06.02.14 в 12:03

Но это эфемерное творение тоже подвержено условиям, связанным с нашими измерениями.

cosinus 06.02.14 в 12:04

Рассмотрим, например, электрическое поле, распространяемое заряженным объектом.

cosinus 06.02.14 в 12:06

Оно, безусловно, реально.

cosinus 06.02.14 в 12:06

Вы можете почувствовать воздействие статического электричества на волосы или наблюдать воздушный шарик, прилипший к стене.

cosinus 06.02.14 в 12:08

Однако квантовая теория электромагнетизма предполагает, что статическое поле возникает в результате излучения, благодаря заряженным частицам, участвующим в создании поля, виртуальным фотонам, обладающим, по существу, нулевой полной энергией.

cosinus 06.02.14 в 12:11

Эти виртуальные частицы, поскольку имеют нулевую энергию, могут распространяться по всей Вселенной, не исчезая, а поле, за счет суперпозиции многих из них, настолько реально, что его можно почувствовать.

cosinus 06.02.14 в 12:15

Иногда условия таковы, что реальные, массивные частицы могут фактически выскочить из пустого пространства безнаказанно.

cosinus 06.02.14 в 12:16

В одном примере две заряженные пластины сводят близко друг к другу и, как только электрическое поле между ними становится достаточно сильным, для реальной пары частица-античастица становится выгодным "выглянуть" из вакуума, с отрицательным зарядом, направленным к положительной пластине, и положительным зарядом, направленным к отрицательной.

cosinus 06.02.14 в 12:24

При этом вполне возможно, что снижение энергии, обусловленное снижением суммарного заряда на каждой из пластин, и, следовательно, электрического поля между ними, может быть больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для получения двух реальных частиц.

cosinus 06.02.14 в 12:27

Конечно, напряженность поля должна быть огромной, чтобы такое условие было возможным.

cosinus 06.02.14 в 12:28

Фактически существует место, где явление, похожее на то, что описано выше, может происходить благодаря сильным полям иного рода, в данном случае благодаря гравитации.

cosinus 06.02.14 в 12:35

Осознание этой идеи фактически сделало Стивена Хокинга известным среди физиков в 1974 году, когда он показал, что черные дыры, за пределы которых, по крайней мере при отсутствии квантово-механических факторов, ничто не может вырваться, могли бы излучать физические частицы.

cosinus 06.02.14 в 12:48

Есть много разных способов пытаться понять это явление, но один из них поразительно схож с ситуацией, которую я описал выше с электрическими полями.

cosinus 06.02.14 в 12:50

Внешняя поверхность ядра черных дыр является радиусом, называемым "горизонтом событий".

cosinus 06.02.14 в 12:52

Из-за горизонта событий ни один объект не может классически вырваться, потому что вторая космическая скорость превышает скорость света.

cosinus 06.02.14 в 12:54

Таким образом, даже свет, излучаемый внутри этой области, не может выбраться за пределы горизонта событий.

cosinus 06.02.14 в 12:55

А теперь представьте, что пара частица-античастица зарождается из пустого пространства сразу за горизонтом событий благодаря квантовым флуктуациям в этой области.

cosinus 06.02.14 в 12:57

Одна из частиц может фактически попасть внутрь горизонта событий, и при этом, падая в черную дыру, потерять достаточно гравитационной энергии, чтобы эта энергия вдвое превышала массу покоя обеих частиц.

cosinus 06.02.14 в 13:06

Это означает, что частица-партнер может улететь в бесконечность и быть наблюдаемой без нарушения закона сохранения энергии.

cosinus 06.02.14 в 13:09

Общая положительная энергия, связанная с испускаемой частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии, которую испытывает ее частица-партнер, падающая в черную дыру.

cosinus 06.02.14 в 13:12

Поэтому черная дыра может испускать частицы.

cosinus 06.02.14 в 13:13

Однако ситуация становится еще более интересной, из-за того что энергия, теряемая падающей внутрь частицей, больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя.

cosinus 06.02.14 в 13:16

В результате, когда она падает в черную дыру, общая система черной дыры плюс частицы на самом деле обладает меньшей энергией, чем это было до того, как частица в нее упала!

cosinus 06.02.14 в 13:19

Черная дыра поэтому фактически становится светлее, когда частица попадает внутрь, на величину, которая эквивалентна энергии, уносимой излучаемой, сбежавшей частицей.

cosinus 06.02.14 в 13:21

В конце концов, черная дыра может испариться полностью.

cosinus 06.02.14 в 13:32

На данный момент мы этого не знаем, потому что конечные стадии испарения черных дыр включают физику на таких малых масштабах расстояний, что одна только общая теория относительности не может дать нам окончательный ответ.

cosinus 06.02.14 в 13:36

На этих масштабах гравитация должна рассматриваться как полностью квантово-механическая теория, и нашего нынешнего понимания общей теории относительности не достаточно, чтобы точно выяснить, что произойдет.

cosinus 06.02.14 в 13:39

Тем не менее, все эти явления говорят о том, что при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно.

cosinus 06.02.14 в 13:42

В космологии один из первых примеров того, что "ничто" может быть нестабильным и образовать что-то, был получен благодаря попыткам понять, почему мы живем во Вселенной материи.

cosinus 06.02.14 в 13:45

Вы, наверное, просыпаясь каждое утро, не спрашиваете об этом, но тот факт, что наша Вселенная содержит материю, замечателен.

cosinus 06.02.14 в 13:48

А особо замечательно в нем то, что, насколько мы можем судить, наша Вселенная не содержит в значительном количестве антиматерию, которая, как вы помните, предусматривается квантовой механикой и теорией относительности, так что для каждой частицы, известной нам в природе, может существовать эквивалентная античастица с противоположным зарядом и той же массой.

cosinus 06.02.14 в 13:55

Казалось бы, любая разумная Вселенная в момент создания будет содержать равное количество частиц обоих видов.

cosinus 06.02.14 в 13:57

В конце концов, античастицы обычных частиц имеют такую же массу и подобные другие свойства, так что если частицы были созданы в начале времен, было бы столь же легко создать античастицы.

cosinus 06.02.14 в 13:59

С другой стороны, мы могли бы даже представить себе вселенную антиматерии, в которой все частицы, составляющие звезды и галактики, были бы заменены на их античастицы.

cosinus 06.02.14 в 14:00

Такая Вселенная казалась бы почти идентичной той, в котором мы живем.

cosinus 06.02.14 в 14:01