Filosofit ovat keskustelleet "tyhjyyden", "mitään", "mitään", "tyhjyyden" luonteesta tuhansia vuosia, mutta mitä moderni tiede voi kertoa tästä? Kysymykseen vastataan kuninkaallisen yhdistyksen tähtitieteilijä Martin Rees ja kosmologian ja astrofysiikan emeritusprofessori Cambridgen yliopistosta. Hän selittää, että kun fyysikot keskustelevat "mistään", he tarkoittavat tyhjää tilaa (tyhjiö). Se voi tuntua aivan tavalliselta, mutta kokeet osoittavat, että tyhjä tila ei ole oikeastaan tyhjä - se sisältää salaperäisen energian, joka voi kertoa meille jotain maailmankaikkeuden kohtalosta.
The Conversation -lehden haastattelu Martin Reesin kanssa.
Onko tyhjä tila sama kuin ei mitään?
Tyhjä tila ei näytä meille mitään. Vastaavasti vesi voi näyttää kaloille olevan "mitään" - se on vesi, joka jää, kun poistat kaiken muun, joka meressä kelluu. Samoin tyhjä tila osoittautuu käytännössä melko vaikeaksi.
Tiedämme, että maailmankaikkeus on hyvin tyhjä. Avaruuden keskimääräinen tiheys on noin yksi atomi jokaisesta kymmenestä kuutiometristä - ympäristö on paljon harvinaisempi kuin mikään tyhjö, jonka maapallolla voimme saada. Mutta vaikka kaikki aine poistettaisiin, avaruudessa on eräänlainen joustavuus, joka (kuten äskettäin vahvistettiin) sallii painovoima-aaltojen - itse aallon aallot - leviää sen läpi. Lisäksi opimme, että tyhjässä tilassa itsessään on eksoottinen muoto energiaa.
Opimme ensin tästä tyhjiöenergiasta 1900-luvulla kvanttimekaniikan myötä, joka selittää atomien ja hiukkasten käyttäytymisen pienimmässä mittakaavassa. Siitä seuraa, että tyhjä tila koostuu taustaenergian heilahtelukenttään - joka antaa elämän aalloille ja virtuaalihiukkasille, jotka ilmestyvät ja katoavat mihinkään. Ne voivat jopa luoda pieniä voimia. Entä entä laajamittainen valkoinen tila?
Se, että tyhjä tila luo suuria voimia, havaittiin 20 vuotta sitten. Astronomit ovat havainneet, että maailmankaikkeuden laajentuminen on kiihtyvä. Tämä oli yllätys. Laajeneminen oli ollut tiedossa jo yli 50 vuotta, mutta kaikki ajattelivat, että laajentuminen hidastuisi galaktien ja muiden rakenteiden toisiinsa kohdistuvan painovoiman vuoksi. Joten tuli kaikille suurena yllätyksenä siitä, että painovoimasta johtuva hidastuminen kompensoi jotain, joka "työnsi" laajenemista. Kävi ilmi, että tyhjässä tilassa itsessään on energiaa, joka luo eräänlaisen vastenmielisyyden, joka on suurempi kuin gravitaation vetovoima näillä suurilla vaa'oilla. Tämä ilmiö - tumma energia - on uskomattomin esimerkki siitä, että tyhjä tila ei ole ryppyinen tai tyhjä. Lisäksi,tämä tosiasia määrää maailmankaikkeuden jatko-kohtalon.
Mainosvideo:
Onko opiskelua rajoitettu? Kolme biljoonaa biljoonaa kertaa pienemmässä mittakaavassa kuin atomi, kvantitatiiviset avaruus-ajanvaihteet voivat synnyttää paitsi virtuaalihiukkasia, myös virtuaalisia mustia reikiä. Tämä on rajoissa, joita emme voi havaita ja ymmärtää, jotka meidän on ainakin hypoteettisesti yhdistettävä painovoiman teoria kvantimekaniikkaan - ja tämä on uskomattoman vaikeaa.
Tämän ymmärtämiseksi on olemassa useita teorioita, joista tunnetuin on jousiteoria. Mutta mikään näistä teorioista ei vielä liity todelliseen maailmaan - joten ne ovat edelleen perusteettomia. Luulen, että melkein kaikki ymmärtävät, että avaruudessa itsessään on monimutkainen rakenne pienessä mittakaavassa, missä gravitaatio- ja kvantitehosteet kohtaavat.
Me tiedämme, että maailmankaikkeudellamme on kolme alueellista ulottuvuutta: voit liikkua vasemmalle ja oikealle, eteenpäin ja taaksepäin, ylös ja alas. Aika on kuin neljäs ulottuvuus. On kuitenkin olemassa suuri epäily, että jos suurennat pienen pisteen avaruudessa, kunnes tunnet pienen asteikon, huomaat, että se on tiheästi pakattu origami, jolla on viisi ylimääräistä ulottuvuutta, jota emme näe. Ikään kuin katsoisit letkua kaukaa ja ajattelisit sen olevan vain linja. Lähempänä siirtymällä huomaat, että yksi ulottuvuus on pohjimmiltaan kolme. Jousteoria sisältää monimutkaisen matematiikan - samoin kuin kilpailevat teoriat. Mutta tämä on juuri teoria, jota tarvitsemme, jos haluamme ymmärtää syvimmällä tasolla lähinnä tyhjyyttä, joka voidaan kuvitella: tyhjä tila, selvästi.
Kuinka voimme selittää nykyisessä ymmärryksessämme, että koko maailmankaikkeusmme laajenee tyhjänä? Voisiko se todellakin alkaa pienestä tyhjiön energian vaihtelusta?
Jotkut salaperäiset muutokset tai vaihtelut voivat yhtäkkiä johtaa siihen, että osa avaruudesta alkoi laajentua, kuten jotkut teoreetikot uskovat. Kvantiteoriaan liittyvät luonnolliset vaihtelut voivat ravistaa koko maailmankaikkeutta, jos se puristetaan riittävän pieniksi mittakaavoiksi. Tämän olisi pitänyt tapahtua noin 10 (-44) sekunnissa - tämä on Planckin aika. Näissä asteikkoissa aika ja tila ovat kietoutuneet toisiinsa, joten ajastus kellostamisesta ei ole järkeä. Voimme ekstrapoloida maailmankaikkeuksemme suurella varmuudella takaisin nanosekunniin ja suurella todennäköisyydellä palaamme lähemmäksi Planckin aikaa. Mutta sen jälkeen arvauksemme eivät enää ole voimassa - tämän mittakaavan fysiikka korvataan jollain muulla, monimutkaisemmalla teorialla.
Jos voi olla, että vaihtelu tyhjän tilan jossain satunnaisessa osassa antoi elämän maailmankaikkeudelle, miksi sama asia ei voi tapahtua tyhjän tilan toiselle osalle - ja antaa elämän rinnakkaisille universumeille äärettömässä moniosassa?
Ajatus siitä, että Big Bang ei ole ainoa ja että teleskooppiemme kautta näemme vain pienen osan fyysistä todellisuutta, on fyysikoiden keskuudessa varsin suosittu. Ja suhdanneuniversumista on monia versioita. Vain 50 vuotta sitten tuli vahvaa näyttöä siitä, että iso räjähdys jopa tapahtui. Sittemmin on kuitenkin spekuloitu siitä, että hän voisi olla vain jakso syklisessä universumissa. On myös taipumus ymmärtää, että fyysinen todellisuus on paljon enemmän kuin tilan ja ajan tila, jonka voimme tuntea, jopa tehokkaimpien kaukoputkien avulla.
Siksi meillä ei ole aavistustakaan, oliko yksi iso räjähdys vai oliko monia - on skenaarioita, jotka ennustavat monia isoja bangeja, ja skenaarioita, jotka ennustavat yhden. Mielestäni meidän pitäisi tutkia niitä kaikkia.
Mikä on maailmankaikkeuden loppu?
Yksinkertaisin ennuste kaukaiselle tulevaisuudelle on, että maailmankaikkeus jatkaa laajentumistaan yhä nopeammin, kylmämmäksi ja tyhjemmäksi. Sen hiukkaset voivat hajota, liuenneen loputtomasti tyhjyyteen. Saatamme joutua valtavaan tilavuuteen, mutta se tulee vielä tyhjemmäksi kuin tila on nyt. Tämä on yksi skenaarioista. Jotkut ennustavat pimeän energian suunnan "kääntämistä" torjumisesta houkutteluun, minkä seurauksena meistä puristetaan tiheä kohta.
On myös Roger Penrose'n ajatus siitä, että maailmankaikkeus jatkaa laajentumistaan yhä enemmän laimentuen, mutta jotenkin - kun se ei sisällä muuta kuin fotoneja, valon hiukkasia - siinä olevat esineet kalibroidaan uudelleen ja avaruudesta tulee jollain tavalla uuden Big Bang -generaattorin generaattori. … Tämä on hyvin eksoottinen versio vanhasta syklisestä universumista - mutta älä pyydä minua selittämään Penrose-ideoita.
Kuinka luottavainen olet siihen, että tiede paljastaa jonain päivänä mysteerin mitä tämä "ei mitään" on? Vaikka voisimme todistaa, että maailmankaikkeus syntyi omituisesta vaihtelusta tyhjiökentässä, eikö meidän pitäisi ihmetellä, mistä tämä tyhjiökenttä tuli?
Tiede yrittää antaa vastauksia, mutta joka kerta kun löydämme ne, nousee esiin uusia kysymyksiä - meillä ei koskaan ole kokonaiskuvaa. Kun aloin tutkimuksen tekemisen 1960-luvun lopulla, oli epäilyksiä siitä, oliko iso pauha. Nyt ei ole enää epäilystäkään ja voimme sanoa noin 2 prosentin tarkkuudella, että maailmankaikkeus oli sama 13,8 miljardia vuotta, aina ensimmäiseen nanosekunniin saakka. Tämä on suuri edistysaskel. On naurettavan optimistinen uskoa, että seuraavan 50 vuoden aikana selvitämme vaikeat kysymykset siitä, mitä tapahtuu kvantti- tai "inflaatio" -kaudella.
Mutta tietenkin, herää toinen kysymys: kuinka paljon tiede on ymmärrettävää ihmisen aivoille? Voi olla, että joustoteorian matematiikka on jossain mielessä oikeanlainen kuvaus todellisuudesta, mutta emme voi koskaan ymmärtää sitä riittävän hyvin testataksemme sitä mitään todellista havaintoa vastaan. Sitten meidän on ehkä odotettava joidenkin post-ihmisten ilmestymistä saadaksemme täydellisemmän ymmärryksen.
Ilja Khel
