Чем ложный вакуум отличается от физического вакуума. Космический, физический и ложный вакуум

Главная

Биогафии

Ртутный вакуумный барометр Эванджелисты Торричелли учёного, впервые создавшего вакуум в лаборатории. Над поверхностью ртути в верхней части запаянной трубки «торричелиева пустота» (вакуум, содержащий пары ртути под давлением насыщения … Википедия

Вакуум (от лат. vacuum пустота) среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься… … Википедия

Манускрипт Войнича написан с помощью неизвестной системы письма Рукопись Войнича (англ. Voyni … Википедия

Инфляция - (Inflation) Инфляция это обесценивание денежной единицы, уменьшение ее покупательной способности Общая информация об инфляции, виды инфляции, в чем состоит экономическая сущность, причины и последствия инфляции, показатели и индекс инфляции, как… … Энциклопедия инвестора

I Мочеиспускательный канал (urethra; синоним уретра) выводной проток мочевою пузыря, по которому моча выводится из организма наружу. Анатомия и гистология Мочеиспускательный канал (рис. 1) начинается на дне мочевого пузыря (Мочевой пузырь)… … Медицинская энциклопедия

I Эхинококкоз (echinococcosis) гельминтоз из группы цистодозов, при котором в печени, легких или других органах и тканях образуются эхинококковые кисты. Наиболее часто Э. встречается в Австралии, Новой Зеландии, странах Южной Америки, Северной… … Медицинская энциклопедия

Предсказания конца света являют собой новый тренд в массовой культуре последнего времени. Футурологи и оккультисты всей мастей соревнуются в описании красочного финала человеческой истории. Ученые не отстают от мировых тенденций и считают, что причиной гибели Земли станет взаимодействие двух сущностей - ложный и истинный вакуум. Сюжет настолько интересен, что тянет на голливудский блокбастер.

Разрешение неоднозначности

Прежде чем приступить к расшифровке понятий квантовой механики, необходимо справиться о том, что вкладывают в понятие «vacuum » в разных контекстах:

В общем случае считается, что это пространство, лишенное материи. В переводе с латинского слово переводится как «свобода» или «пустота»;
В технике и прикладной физике: любое пространство, в котором давление ниже атмосферного. Так, английское название пылесоса «vacuum cleaner » отсылает именно к этому толкованию;
В контексте исследований естественных наук XIX века: это среда, наполненная вездесущей субстанцией под названием эфир;
В электромагнетизме: эталонная среда для электромагнитного воздействия. Она не создает препятствий для распространения излучения. В ней принцип суперпозиции двух электрических потенциалов представляет собой лишь простое сложение каждого потенциала.

Философские споры относительно понятий «пустота» и «ничто» длятся вот уже более двух тысяч лет. Первые попытки ступить на эту зыбкую почку сделал Платон, но его идеи были тут же отвергнуты: ничто нельзя воспринять органами чувств - а значит, нельзя доказать его существование.

Что такое истинный вакуум?

Чаще всего в лабораторных и естественных условиях физики имеют дело с так называемым частичным вакуумом, который отклоняется от «стерильных» условий на некоторую величину. Примером такого «недовакуума» может служить космическое пространство:

Оно имеет крайне низкую плотность и давление;
Однако даже в межзвездном пространстве имеется несколько атомов водорода на кубический метр;
Планеты и звезды еще дальше от идеальных условий: они имеют свои атмосферы за счет гравитационного притяжения;
По сути космос представляет собой разреженную плазму, наполненную заряженными частицами и электромагнитными полями.

В противовес такой несовершенной модели существует концепция «идеального вакуума», который представляет собой так называемое основное состояние в квантовой теории поля:

Это состояние с минимально возможной (нулевой) энергией;
Его невозможно достичь экспериментально, оно существует только «на кончике пера»;
Несмотря на средние нулевые значения электрического и магнитного полей, их дисперсии не равны нулю;
Изредка в такой «пустоте» появляются и исчезают виртуальные частицы (явление называется флуктуацией).

Физические теории

В рамках современной квантовой физики теория истинного физического вакуума остается не до конца разработанной. Существует несколько подходов к исследованию данного феномена:

Множество частиц с крошечной энергией;
Ячеистая среда, которая обладает отрицательным давлением;
Квантовая жидкость, состоящая из фотонных частиц. Они сцеплены между собой в мозаику, напоминающую кристаллическую химическую связь;
Жидкость из квазичастиц со сверхтекучими свойствами;
По мнению английского ученого Поля Дирака, это бесконечное море частиц с энергией ниже нулевого значения.

Господствовавшая на протяжении истории интерпретация латинского понятия «vacuum» как «пустоты» сегодня не используется.

Напротив, онтологический смысл его изменился: вместо «ничто» (бессодержательного пространства) - «нечто» (содержащее в себе потенцию всего сущего). Физики полагают, что вакуум может рождать все явления внешнего мира и является наиболее базовой сущностью во Вселенной. А потому - не до конца познанной.

Что такое ложный вакуум?

Одна из самых популярных гипотез относительно природы «содержательной пустоты» принадлежит американским физикам Фрэнку Вильчеку и Майклу Тэрнеру. Они впервые выдвинули теорию так называемого «ложного вакуума», который обладает такими свойствами:

Его энергетический уровень крайне мал, но не равен нулю, в отличие от истинного вакуума;
Вероятно, такое состояние может возникнуть при удалении максимального количества частиц и энергии из обычного пространства. Такая операция приведет к появлению квантовых полей с локальным минимумом энергии;
Состояние отличается неустойчивостью из-за «туннельного эффекта», когда элементарные частицы без труда минуют потенциальный барьер и переходят в более низкие энергетические состояния;
Мнимый вакуум имеет тенденцию превращаться в истинный. Математическая модель этого перехода была разработана еще в 1970-х годах советскими учеными.

Феномен в живой природе пока не зарегистрирован. Есть только теоретические предположения, касающиеся природы всей Вселенной, о чем речь пойдет ниже.

Экзистенциальная угроза

Недостаточная изученность фундаментальных космологических вопросов открывает широкий простор для бурной фантазии физиков. Одна из популярных ныне научных «страшилок» касается угрозы для Вселенной, если последняя находится в состоянии минимальной энергии:

Первыми дискуссию на эту тему завели ученые Эрик Макс Тегмарк и Ник Бостром. В 2005 году в журнале «Нэйче» они опубликовали сенсационную статью, в которой провозглашали гибель всего сущего спустя несколько сотен миллионов лет;
Такой сценарий весьма вероятен, если Вселенная находится в мнимом вакууме. Это состояние плавно перетечет в вакуум истинный, что будет сопровождаться неопределенными, но фатальными последствиями;
Рождение нового состояния можно описать как появление внутри одного космологического пузыря нескольких новых;
Эти пузыри будут сталкиваться друг с другом, объединяясь и рождая новый мир;
Если теория верна, пузырь будет расширяться с чудовищной скоростью и гибель жизни на Земле будет практически мгновенна.

Апокалипсический сюжет лег в основу романа «Пробуждение Посейдона» (2015 год) британского писателя Аластера Рейнольдса.

Относительность научной картины мира может выбить почву из-под ног. В дополнение к понятию пустоты, понятному всякому обывателю, физики выдвинули «почти-пустоту», которая бесконечно близка к ней, но все же содержит некий минимум энергии. Так простыми словами можно описать ложный и истинный вакуум. Для более подробного ознакомления с феноменом потребуется глубокое техническое образование.

Видео: почему ложный вакуум может уничтожить вселенную?

В данном ролике физик Роберто Стивенс расскажет, как в считанные секунды может пропасть вселенная:

Пути, по которым поле туннелирует из ложного вакуума в истинный

Adam Brown / Phys. Rev. D

Физик-теоретик из Стэнфорда уточнил скорость распада ложного вакуума (что приведет к исчезновению нашей Вселенной), вычислив для нее нижнюю и верхнюю границы. Кроме того, ученый обобщил этот результат, включив в рассмотрение гравитацию - оказалось, что в этом случае нижняя граница исчезает, однако верхняя выглядит так же, как и в случае плоского пространства. Статья опубликована в Physical Review D .

В квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей, которые отсчитываются от некоторого состояния с наименьшей возможной энергией, называемого вакуумом. Эти поля заполняют все пространство Вселенной, так что назвать ее абсолютно пустой нельзя. Для большинства полей Стандартной модели потенциал устроен таким образом, что полю энергетически выгодно скатиться в нулевое состояние - качественно такой потенциал выглядит как ямка, которая симметрична относительно оси, проходящей через начало координат. Однако для поля Хиггса это не так: его потенциал напоминает скорее «мексиканскую шляпу», чем «ямку», и более выгодным становится отличное от нуля положение. В результате все пространство оказывается пронизано полем постоянной напряженности, которое мешает частицам ускоряться и придает им массу.

Потенциал типа «ямка» (слева) и типа «мексиканская шляпа» (справа)

Более того, по современным представлениям на больших энергиях потенциал поля Хиггса снова загибается вниз, чтобы образовать вторую ямку, расположенную ниже той ямки, в которой мы живем. Хотя обе ямки разделяет высокий потенциальный барьер, поле может протуннелировать через него и свалиться в более выгодное состояние. Это значит, что рано или поздно ложный вакуум Стандартной модели прекратит свое существование и перейдет в истинный вакуум, а энергию колебаний поля придется отсчитывать от абсолютного минимума, а не от локального. Процесс такого перехода называют распадом ложного вакуума . В результате распада ложного вакуума огромная энергия, запасенная полем, высвободится - в конечном счете, это выразится в образовании большого числа частиц и приведет к повторному разогреванию Вселенной.

Тем не менее, процесс распада ложного вакуума довольно сложен. Так, поле не может перейти из ложного вакуума в истинный одновременно во всем объеме Вселенной, поскольку вероятность такого перехода слишком мала. Гораздо более вероятен другой сценарий, в ходе которого поле случайно туннелирует из ложного вакуума в истинный только в некотором ограниченном объеме, а затем образовавшийся пузырек бесконечно расширяется или схлопывается обратно. Чтобы рассчитать скорость распада по такому сценарию, необходимо найти конфигурацию поля, которая решает классические уравнения движения и описывает плавный переход между истинным вакуумом внутри пузырька и ложным вакуумом снаружи. Такая конфигурация называется инстантоном . Поскольку уравнения движения выводятся исходя из , на инстантонах действие поля принимает наименьшее значение. С другой стороны, в функциональном интеграле , который описывает вероятность распада, действие стоит в показателе быстро осциллирующей экспоненты - следовательно, инстантоны будут давать наибольший вклад в эту вероятность.

Зависимость величины поля (слева) и энергии (справа) от расстояния до центра пузырька. Легко увидеть, что поле плавно переходит из истинного вакуума в ложный

Adam Brown / Phys. Rev. D

Используя подобные соображения, в 1977 году физик-теоретик Сидни Коулмен вычислил скорость распада ложного вакуума B для скалярного поля - оказалось, что она зависит не только от разности между уровнями «ложной» и «истинной» ямки, но и от поверхностного натяжения пузырька σ. Для этого Коулман использовал приближение тонкой стенки, в котором поле резко переходит из истинного вакуума внутри пузырька в ложный вакуум снаружи, то есть предполагал, что размеры переходной области много меньше размеров пузырька. При этом натяжение стенки Коулман оценивал снизу, предполагая, что полю достаточно «перепрыгнуть» через стенку до того же уровня, на котором оно находилось изначально, а дальнейшее движение оно продолжит без всяких проблем (такому сценарию отвечает левая картинка σ min на рисунке). До последнего времени было неизвестно, насколько оправдано такое приближение - другими словами, было неясно, насколько велика погрешность рассчитанной таким образом скорости распада.

Сценарии, для которых вычисляется σ min (слева) и σ max (справа). Цветом отмечена область интегрирования

Adam Brown / Phys. Rev. D

В новой работе американский физик-теоретик Адам Браун уточнил эту оценку, то есть нашел как нижнюю, так и верхнюю границу для скорости распада: B [σ min ] ≤ B ≤ B [σ max ]. Оказалось, что нижней границей, как и предполагалось, является результат Коулмена, в котором натяжение стенки минимально, а верхняя граница находится из предположения, что поле полностью протуннелировало из ложного вакуума в истинный. Каждое из неравенств ученый доказывал по-разному. Чтобы доказать первое утверждение, физик изменил потенциал поля специальным способом, добавив в него разрыв. С одной стороны, скорость распада ложного вакуума в таком потенциале будет больше, чем в исходном; с другой стороны, она будет совпадать со скоростью B [σ min ], рассчитанной для минимального возможного натяжения стенки пузыря. Для доказательство второго неравенства ученому достаточно было показать, что определенная конфигурация полей действительно приводит к значению B = B [σ max ], и Браун такую конфигурацию нашел.

Пробный потенциал, сконструированный Брауном, и зависимость поля от расстояния до центра пузырька в таком потенциале

Adam Brown / Phys. Rev. D

Кроме того, теоретик обобщил эти результаты, включив в рассмотрение гравитацию, то есть предполагая, что энергия поля искривляет пространство-время. В этом случае скорость распада зависит не от разности уровней ложного и истинного вакуума, но от каждого из значений по отдельности. В то же время, в такой модели нижняя граница для скорости распада отсутствует - так, в пространстве де Ситтера натяжение стенки σ min может быть сколь угодно большим, но скорость распада ложного вакуума все равно стремится к нулю . Тем не менее, ограничение сверху, выведенное для пустого плоского пространства, продолжает выполняться, то есть по прежнему B ≤ B [σ max ]. Доказательство в данном случае также разбивается на рассмотрение двух частных случаев, в одном из которых изменение энергии при образовании пузырька неограниченно растет при увеличении радиуса пузырька, а в другом - неограниченно снижается. В первом случае ограничение энергии, а следовательно, и скорости распада, возникает естественным образом (скажем, по теореме Ролля); во втором случае оказывается, что B [σ max ] = ∞, и равенство B ≤ B [σ max ] опять-таки выполнено.

Изменение действия при создании пузырька в зависимости от его радиуса: два принципиально различных случая. Зависимость для изменения энергии выглядит аналогично

Adam Brown / Phys. Rev. D

Все рассуждения в данной работе выполнялись в предположении пустого пространства, однако присутствие сингулярностей в виде черных дыр, особенно черных дыр малой массы, могло бы изменить скорость распада ложного вакуума. Тем не менее, в ноябре прошлого года японские физики-теоретики , что существенного увеличения скорости перехода и метастабильного состояния в стабильное рядом с черными дырами наблюдаться не должно - черные дыры обязательно окружены температурным фоном частиц из-за излучения Хокинга, который необходимо учитывать при расчете вероятности образования пузырька истинного вакуума. Из-за этого фона скорость образования пузырьков почти не меняется даже около небольших черных дыр.

Подробнее узнать, что такое распад ложного вакуума и чем он грозит нашей Вселенной, можно в нашем материале , подготовленном вместе с физиком-теоретиком Филиппом Бурдой.

Дмитрий Трунин

Очень часто говоря о космосе, люди представляют себе картину, где небесные объекты «висят» в некоей среде, которую в разные времена, в зависимости от научных концепций на данном витке знаний, называли эфиром, пустотой или вакуумом. В 21 веке учёные классифицируют эту космическую среду на виды и подвиды, — это абсолютный вакуум, технический вакуум, физический, космический и целый отряд ложных вакуумов.

Вообще, что такое вакуум? Почему их такое множество, и как их различить? Простое определение вакуума звучит также для понимания просто: «Вакуум — это среда с низким давлением, сильно отличающимся от атмосферного». Секрет кроется в слове «сильно». А инженеры и учёные сразу обратятся к цифрам. Итак, давление вещества в вакуумной среде (на стенки сосуда, откуда откачали воздух) должно быть меньше одной атмосферы или ~101,35 кПа (килоПаскалей) на уровне моря. Вдумчивый читатель сразу спросит: а какое давление все-таки в вакуумной камере определяет вакуум?

Находясь на матушке Земле, дорогой читатель, начнём-ка нашу экскурсию в мир вакуумов с заводских и научно-исследовательских лабораторий. Сегодня самый востребованный вакуум на предприятиях — это Технический Вакуум. Он необходим заводам электронной аппаратуры и фармацевтическим фабрикам, медицинским и биотехнологическим институтам, радиобиологическим и экологическим лабораториям, а также на Большом адронном коллайдере в разгонных кольцах. Он подразделяется на несколько подвидов: низкий вакуум или форвакуум, высокий и сверхвысокий (или глубокий) вакуум.

Форвакуум содержит десять в шестнадцатой степени молекул в одном кубическом сантиметре. Высокий вакуум содержит в 100000 раз меньше молекул в кубическом сантиметре, чем форвакуум. А сверхвысокий вакуум — меньше высокого ещё в 10000 раз. Он хорош для электронных микроскопов. Технический Вакуум можно рассматривать как особое состояние почти пустой среды. Благодаря своим свойствам, — он не проводит тепло, — то его используют в сосудах Дьюара, где хранят и перевозят, например, жидкий азот.
https://authortoday-a.akamaihd.net/posts/1271/attachments/5064720bc7094e8ba4cd7e47fced49a9.jpg

А теперь давайте, перенесёмся в мир Физического Вакуума. Под этим термином понимают пространство, в котором совершенно отсутствуют реальные частицы атомарного вещества. Но... Физический Вакуум не пуст, — он заполнен неким энергетическим полем в наинизшем энергетическом состоянии, и физики называют его термином «квантованное поле». Оно имеет нулевой импульс, нулевой момент импульса и многие другие нулевые характеристики, важные, например, для исследователей, работающих в области физики высоких энергий на ускорителях (БАК, Тэватрон и др.). В энергетическом бульоне Физического Вакуума постоянно рождаются и исчезают нереальные, — виртуальные частицы. Эти процессы называется нулевыми колебаниями энергетического состояния вакуума. В этом случае говорят не о плотности вещества, а о плотности энергии в вакууме.

Рассуждая о Физическом Вакууме, специалисты, стараются понимать и такие необычные явления, как состояния вакуума, называемые Ложными Вакуумами. Конечно, этот вопрос интересен скорее учёным, нежели, скажем, садовникам. Упомянутые выше нулевые колебания Физического Вакуума иногда создают как бы дополнительные вакуумы с чуть большей энергией, чем нулевая. Но Ложный Вакуум существует очень недолго (в ограниченном локальном пространстве) и не способен породить реальные частицы. Через некоторое время этот энергетический пузырёк в бульоне других энергий «схлопывается» до истинного вакуума.

Что ж, дорогие читатели и экскурсанты, перейдём в другой мир и познакомимся, наконец, с Космическим Вакуумом. Это удивительное состояние материи волнует сегодня многих: от астрономов, космологов и физиков, до космонавтов, космических туристов, проектировщиков космических аппаратов и писателей-фантастов. Космический Вакуум, хотя и приближен к Физическому Вакууму, но он не является абсолютным или абсолютно пустым, в смысле заполнения его веществом и энергией. Основное наполнение Космического Вакуума — энергетические поля, космические лучи, плазма, радиоволны, фотоны (гамма-кванты) оптического и не оптического спектра (тепловые и рентген). Я не акцентирую внимания на тёмной материи и тёмной энергии, хотя об этом тоже не стоит забывать.

В глубоком космосе истинного вещества (молекул или атомов) остается чрезвычайно мало: от 1000 (в лучшем случае) до 1 штуки в 1 кубическом сантиметре. Вспомним, что средний радиус атома равен одному ангстрему или десяти в минус восьмой степени сантиметра. Учитывая размер атома по сравнению со стороной этого кубика, можно представить взаимодействие двух атомов, как общение двух тараканов, если один из них живёт в Вашингтоне, а другой в Москве. Даже если «размазать» тысячу атомов в этом объёме, то и на таком расстоянии атомы передать другу друг энергию или тараканы взаимно почесать мордочки усиками не смогут никак.

Естественно возникает вопрос. Если все небесные тела во Вселенной взаимодействуют между собой, тогда как передаются сигналы в космосе, в Космическом Вакууме? Прежде всего, вспомним об основных четырёх типах физического взаимодействия: — это электромагнитное, сильное (ядерное), слабое (с помощью калибровочных бозонов) и гравитационное взаимодействия и, соответственно, поля. Здесь как никогда уместна пословица: каждому овощу — своё время, а мы добавим: ещё и место. Отбросим из рассмотрения короткодействующие поля и обратим внимание только на электромагнитное и гравитационное.

Активные ядра галактик, живущие за счет сильных процессов, периодически могут взрываться, с выбросом колоссальной энергии, замагниченной плазмы, различных излучений в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и радиоволновом спектре и, конечно же, узконаправленные струи газа (как правило, их две). Газовые шлейфы вспышек тянутся от центра взрыва на десятки килопарсек. Скорость вещества в газовой струе достигает едва 500 км/сек (сравните со скоростью света) и постепенно уменьшается, а плотность вещества становится сравнимой со штучной в кубическом сантиметре.

Основная же масса газопылевых облаков и выброшенной плазмы увлекается мощнейшим гравитационным полем самого вращающегося ядра галактики и остаётся в области аккреционного диска, не выходя далее 3-4 килопарсек. Хотя вспышки и порождают космические галактические лучи, которые имеют космические скорости галактического ветра и, тем не менее, несут в себе очень разреженное количество вещества. Всё оно укладывается в понятие Космического Вакуума.

Очевидно, что для передачи обычных звуковых сигналов это количество вещества не годится. Поэтому в Космическом Вакууме механические продольные волны (или иначе волны плотности вещества или чередование областей сжатия и разрежения), иначе акустические колебания или звук не возникают. Львиная доля взрывной энергии (~90%) галактического ядра переходит в оптическое излучение, рентген и радиоизлучение, а не в вещество. Именно эти типы сигналов и распространяются в космосе.
https://authortoday-a.akamaihd.net/posts/1271/attachments/33e0d837cce743a49bbf7c7f0205ee8a.jpg

Космический Вакуум — не просто слова и абстрактные рассуждения. Сегодня на орбитальных станциях он активно используется в сверхтонких процессах космической технологии: — это выращивание сверхчистых кристаллов для чувствительных детекторов, а также изготовление солнечных элементов на тонких пленках.

Дорогие читатели, мы не рассмотрели ещё мир Энштейновского вакуума, который необходим в общей и в специальной теории относительности. Однако это уже совсем другая история, и оставим его теоретикам поиграться в космологических уравнениях.

 космос, интересное

Разделы