Удивителната празнота на съществуването
Навремето учените не са знаели това, но сега вече знаем: празнотата във Вселената е жива.
През 1654 г. германският учен и политик Ото фон Герике би трябвало да бъде прекалено зает с работата си като кмет на Магдебург. Но вместо това той организирал научна демонстрация за кралския двор на Свещената Римска империя. С помощта на новомодното си изобретение, вакуумната помпа, той изтеглял въздуха от медна сфера, състояща се от две полукълба. След това два впряга коне, по 15 всеки, се опитвали от противоположни посоки да раздалечат полусферите. За учудване на кралските зрители, впряговете от коне не успявали да отделят своите полукълба поради неустоимия натиск на атмосферата около тях.
Фон Герике бил обсебен от идеята за вакуума, особено след като научил за неотдавнашната радикална идея за хелиоцентричната вселена: космос със Слънцето в центъра и планетите, въртящи се около него. Но за да проработи тази идея, пространството между планетите е трябвало да бъде запълнено с празнота. В противен случай триенето би забавило движението на планетите.
Вакуумът е хармонията, която стои в основата на самата реалност.
Преди фон Герике учени, философи и теолози по целия свят от хиляди години спорили за съществуването на вакуума, а в онзи момент фон Герике и неговите коне доказали, че той съществува. Но идеята за вакуума оставала неудобна и се признавала с неохота. Можело изкуствено да създадем вакуум тук на Земята, но се приемало, че природата се е отказала от тази идея. Учените намерили компромис: пространството на космоса е изпълнено с пети елемент, етер (ефир), вещество, което нямало специални свойства, но определено не било нищо.
С настъпването на квантовата и космологичната революция през 20-ти век, учените така и не откриха този етер и постоянно оставаха с празни ръце.
Колкото повече продължаваха да търсят, използвайки все по-мощни телескопи и микроскопи, толкова повече не намираха нищо. През 20-те години на миналия век астрономът Едуин Хъбъл откри, че мъглявината Андромеда всъщност е галактиката Андромеда, островен дом на милиарди звезди, разположени на 2,5 милиона светлинни години. Доколкото можеше да се съди, всички тези самотни светлинни години бяха изпълнени с много малко звезди и със срещащи се от време на време изгубени водородни атоми или заблудени фотони. В сравнение със сравнително малкия размер на самите галактики (нашият Млечен път се простира само на 100 000 светлинни години), Вселената изглежда доминирана от празнота.
В субатомен мащаб учените откриха същото – атомите са изненадващо празни. Ако мащабираме водороден атом, така че ядрото му да е с размерите на баскетболна топка, тогава най-близкият електрон ще бъде на разстояние от около три километра и половина. И между тях няма да има нито един субатомен елемент.
Нищо. Абсолютно нищо. Продължаващите експерименти и наблюдения само потвърждаваха, че в голям и малък мащаб живеем в празен свят.
И тогава тази празнина се отвори. Вътре в празнотата, която доминира както в обема на атома, така и обема на Вселената, физиците откриха нещо. И това далеч не е спокойният ефир от миналите години.
Това е нещо достатъчно силно, за да разкъса Вселената ни. Празнотата изглежда жива.
През декември 2022 г. международен екип от астрономи публикува резултатите от последното си изследване на галактиките и тяхната работа потвърди, че вакуумът на пространство-времето сее хаос в целия космос. Те откриха, че материята има само малък принос към енергийния баланс на Вселената. Вместо това по-голямата част от енергията в космоса се съдържа във вакуума и тази енергия доминира бъдещата еволюция на Вселената.
Тяхното изследване е последното от поредица от открития, продължаващи повече от две десетилетия насам. В края на 90-те години две независими групи астрономи откриха, че разширяването на Вселената се ускорява, което означава, че нашата Вселена всеки ден става все по-голяма и по-голяма. Точната текуща скорост на разширяване все още е въпрос на спорове сред космолозите, но реалността е ясна: нещо кара Вселената да се движи. Проявява се като отблъскваща гравитационна сила и ние го наричаме тъмна енергия.
Работата е там, че вакуумът, демонстриран за първи път от фон Герике преди много векове, не е толкова празен, колкото изглежда. Ако вземете кутия (или, по примера на фон Герике, две полукълба) и премахнете всичко от нея, включително всички частици, цялата светлина, всичко, за което си помислите, то строго погледнато там няма да остане абсолютно нищо. Ще остане само вакуумът на пространство-времето, който, както разбрахме, е самостоятелна същност.
Нищото съдържа в себе си всичко.
Ние живеем в квантова вселена, във вселена, в която никога не можете да сте напълно сигурни в нищо. В най-малък мащаб субатомните частици „съскат“ и „изплуват“, навлизайки за кратко в света на живите и след това се връщат там, откъдето са дошли, изчезвайки от реалността, преди да имат шанс да взаимодействат с нещо друго.
Това явление има различни имена: квантова пяна, пространствено-времева пяна, флуктуация на вакуума. Тази пяна представлява фундаменталната енергия на самия вакуум на пространство-времето, онова ниво, където се случват всички останали физически взаимодействия. На езика на квантовата теория на полето, възникнала от брака на квантовата механика и специалната теория на относителността, квантовите полета, представляващи всички видове частици, се просмукват във вакуума на пространство-времето като кора хляб, намазана в масло и оцет. Тези полета не могат да не вибрират на фундаментално, квантово ниво. От тази гледна точка вакуумът ни “пее” – хармонията, която е в основата на самата реалност.
С помощта на най-напредналите квантови теории ние можем да изчислим енергията, съдържаща се във вакуума, и тя е безкрайна. Тоест във всеки кубичен сантиметър пространство и време се съдържа безкрайно количество енергия, обединена от усилията на всички тези безброй “съскащи” частици. Това не се явява непременно проблем в традиционната физика, с която сме свикнали, защото всички взаимодействия от ежедневния ни опит се случват „на върха“ (поради липса на по-добър термин) на тази безкрайна кула от енергия и това просто прави математиката много по-сложна.
Всичко това би било математически досадно, но иначе незабележимо, с изключение на факта, че в общата теория на относителността на Айнщайн, вакуумната енергия има любопитната способност да генерира отблъскваща гравитационна сила. Обикновено никога не забелязваме подобни ефекти, защото енергията на вакуума се потиска от цялата нормална маса вътре в него (в случая на фон Герике доминиращата сила е атмосферното налягане, обграждащо неговите полукълба). Но в най-големите мащаби във Вселената има толкова много непреработено “нищо”, че тези ефекти се проявяват като ускорено разширяване. Последните изследвания показват, че преди около 5 милиарда години материята във Вселената се е разредила до такава степен, че тъмната енергия е излязла на преден план. Днес тя представлява около 70 процента от целия енергиен баланс на космоса. Изследванията показват, че тъмната енергия в момента разкъсва широкомащабната структура на Вселената, разкъсва свръхкупове от галактики и разплита пред очите ни космическата паяжина.
Но ускорението не е толкова бързо. Когато изчисляваме колко вакуумна енергия е необходима за създаване на ефекта на тъмната енергия, получаваме сравнително малко число.
От друга страна нашето квантово разбиране за вакуумната енергия казва, че тя трябва да е безкрайна или поне невероятно голяма. И със сигурност не е малка. Това несъответствие между теоретичната енергия на вакуума и наблюдаваната стойност е една от най-големите мистерии на съвременната физика. И това води до въпроса какво още може да се крие в огромното „небитие“ на нашите атоми и нашата Вселена. Може би фон Герике е бил прав още от самото начало.
„Нищото съдържа в себе си всички неща“, е писал той. „То е по-ценно от златото, то няма начало и край, по-радостно е, отколкото възприемането на изобилна светлина, по-благородно е от кръвта на царете, сравнимо е с небесата, които са по-високо от звездите, по-мощно е от удар от мълния, то е съвършено и благословено във всяко едно отношение.”
