Най-странните неща във Вселената: енергия на вакуума

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота (всъщност неделя) е денят на енергията на вакуума. Вакуумът по принцип се възприема за празно пространство, но дори в него винаги има някаква енергия. Според квантовата механика тази енергия е дискретна, т.е. състои се от "кванти" (порции). Всичко това може да се представи като мислено приемем, че във всяка точка от пространството има по един квантов хармоничен осцилатор [wiki]. Този сложен модел на вакуума е странен, защото от ежедневния ни опит знаем, че в него няма нищо. Учените смятат, че квантовите хармоничните "трептения" просто се унищожават взаимно и сумарно дават нула. Едно от изключенията на това нулиране е енергията на вакуума.

Енергията на вакуума може да се обясни и по друг начин: като спонтанно раждане на двойка виртуални частици от нищото, които много бързо след това се унищожават (анихилират) — процес, известен като вакуумни флуктуации. Понякога обаче тези виртуални частици взаимодействат с други преди да анихилират, и любопитното е, че точно това е причината за съществуването на фундаменталните сили в природата (като електромагнитната, слабото и силното ядрено взаимодействие, и може би гравитацията).

Какви са последствията от тази странна енергия? Само няколко от тях са:

• ефектът на Казимир [en] — мистериозна сила на привличане, действаща на много малки разстояния;
• предсказаното от Хокинг, но недоказано "изпарение" на черните дупки;
• според общата теория на относителността енергията е еквивалентна на масата, следователно тази енергия на вакуума би трябвало да упражнява гравитационно привличане; това може да окаже влияние на космологичната константа и разширението на Вселената;
  

Енергията на вакуума се счита, че съществува реално и е част от странностите на Вселената, които все още очакват да бъдат обяснени от учените. Докато това стане факт, тя остава загадка.

________
Изображение: PMA Caltech

Нобелова награда за физика, 2007

Днес беше присъдена Нобеловата награда за физика на Албер Фер и Петер Грюнберг за откриването на гигантското магнито- съпротивление (giant magnetoresistance), което стои в основата на съвременните твърди дискове. Откритието нямаше да бъде възможно преди напредъка на иновативните нанотехнологии, защото то разчита на квантово-механични свойства на електроните (като тунелиране). Това се счита и за първото реално приложение на нанотехнологиите в света.

За повече информация:

Блог за наука на Капитал
Official Press Release
Information for the Public [en]

________
Снимки: Nobelprize.org
1. Албер Фер (Albert Fert), Франция
2. Петер Грюнберг (Peter Grünberg), Германия

Пътуване във времето

Често идва ден, когато научната фантастика престава да бъде такава и влиза в учебниците като реалност. Дали това ще се случи и с невероятната идея за пътуване във времето обаче?

Учените дълго време са отписвали този въпрос поради очевидната му абсурдност, но забележителният напредък в областта на квантовата гравитация (теория, обединяваща квантовата механика и теорията на относителността) променя гледната точка на научната общност.

Пътуването във времето е свързано с редица парадоксални ситуации, най-известната от които без съмнение е историята за човека без родители. Ако един човек се върне назад във времето — тогава, когато бъдещите му родители не са се познавали — и направи така, че те никога да не се срещнат, в такъв случай той никога няма да бъде роден, следователно няма как да се върне назад във времето и да промени миналото си. Този парадокс е доста силен, нали?

Пътешествия в миналото и бъдещето винаги са били смятани за невъзможни. Според сър Исак Нютон времето е като стрела: Веднъж изстреляна, тя лети винаги направо и една минута на Земята е равна на една минута на Марс. По-късно обаче Айнщайн коренно променя схващането ни за света около нас. Според него времето е като река, която тече покрай звезди и галактики, забързва се и се забавя като минава покрай масивни тела. Една минута на Земята не е равна на една минута на Марс и часовници, разпръснати из вселената, отмерват свое собствено време.

Преди Айнщайн да умре, той бил изправен пред неприятен проблем. Курт Гьодел — брилянтен математик и негов колега в Принстън — намерил друго решение на уравненията на Айнщайн, според които пътуването във времето е възможно. Решението на Гьодел представлявало вселена, в която времето се върти в кръг и ако човек тръгне по посоката на въртене, то рано или късно ще се върне в миналото си. Сякаш в "реката на времето" имало водовъртежи! Айнщайн отхвърлил това решение.

През 1963 година новозеландският математик Рой Кер открил странно решение на уравненията на Айнщайн за въртяща се черна дупка: За разлика от считаното дотогава, тя не би се свила до една точка, а би станала въртящ се пръстен от неутрони. Частиците биха се въртяли толкова бързо, че центробежната сила няма да им позволи да "паднат" в дупката. Човек би могъл дори да мине през получения пръстен, като това може да го отведе в паралелна вселена. От тогава до сега са открити стотици решения, водещи до теоретичните червейни дупки. Тези червейни дупки могат да свързват не само далечни области от пространството, но и от времето!

Опитите на физиците да обединят квантовата механика с гравитацията и да стигнат до "теория на всичко" са довели до интересна гледна точка относно парадоксите на пътуването във времето. Според квантовата теория всеки обект може да е в множество състояния. Например електрон може да се намира едновременно на различни места в орбиталния си облак, а известната котка на Шрьодингер може да е едновременно в две състояния: жива и мъртва.

Като се връщаме назад във времето и променяме миналото, ние променяме миналото на една паралелна вселена, но нашето минало остава непроменимо.

Това значи ли, че все пак ще можем да се качим в машина, да натиснем няколко копчета и да се пренесем стотици хиляди години напред във времето? Отговорът е: Не и в обозримото бъдеще. Съществуват редица пречки, които засега са непреодолими. За една машина на времето ще са необходими колосални количества енергия, които могат да се добият или директно от някоя звезда, или чрез т.нар. екзотична материя, или ако открием източник на отрицателна енергия*. За реализирането на някой от тези методи ще ни трябват може би столетия!

Друга пречка е стабилността: Една червейна дупка може да загуби стабилност и да се разруши при преминаването на нещо през нея; възможно е дори самите квантови ефекти да унищожат дупката преди през нея да мине каквото и да е. За жалост математиката ни не е достатъчно силна да реши въпросите относно стабилността, защото е необходима "теория на всичко", която да обедини квантовия свят с гравитацията. В момента теорията на суперструните е единственият кандидат за "теория на всичко", но никой не е достатъчно умен, за да я реши напълно.


________
* Подобно на пътуването във времето, отрицателната енергия също е била научна фантастика и физиците са смятали за невъзможно съществуването й. И все пак през 1948 година е открит т.нар. ефект на Казимир, при който мистериозна сила действа на две успоредни метални пластини на много малко разстояние една от друга. По-късно тази сила била измерена.

(постът е написан въз основа статията на Michio Kaku: Is Time Travel Possible)

Вечно ли живеят черните дупки?

Това е един чудесен въпрос, на когото ми беше много интересно да потърся отговор.

Според общоприетото схващане, черната дупка е обект с толкова силна гравитация, че дори светлината не може да „избяга”. Дълго време се е считало, че тези невидими чудовища са бездънни ями, които поглъщат всякаква материя, доближила се прекалено много до тях и следователно живеят вечно. През 1974 г. обаче един учен променил тази картина. Използвайки законите на квантовата механика, британският физик Стивън Хокинг доказал, че черните дупки не са съвсем „черни”. Според неговите уравнения, в зоната близо до хоризонта на събитията на черните дупки се случва нещо странно.

От квантовата механика знаем, че пространството никога не е абсолютно празно. Ако започнем да увеличаваме с помощта на невъобразимо мощен микроскоп част от пространството, то ще стигнем до дължини, съизмерими с Планковата дължина — там започват чудесата на микросвета. Това, което ще видим е един бушуващ океан от частици, които сякаш изникват от нищото, след което изчезват в нищото. Това е т. нар. „квантова пяна” — от чистата енергия в малкото пространство спонтанно възникват двойки частици и античастици, „живеят” кратък миг и анихилират една с друга, за да се превърнат отново в чиста енергия. И така до безкрай.

Нека сега се запознаем с черната дупка. Една от характерните особености на този мистериозен обект е хоризонтът на събитията. Това е линията, която ако бъде премината от нещо, то то неминуемо ще бъде погълнато от черната дупка. С други думи, това е линията, след която няма връщане назад.

Стивън Хокинг решил да помисли какво бихме видяли, ако насочим невъобразимо мощния ни микроскоп към хоризонта на събитията. Вероятно ще видим „квантовата пяна” и как спонтанно се появяват една частица и нейната античастица. Когато те се появят, те тръгват в различни посоки — едната към черната дупка, другата в обратна посока. Ако античастицата поеме към черната дупка и премине хоризонта на събитията, то тя ще бъде погълната завинаги в черната бездна. Нейната частица обаче ще се отдалечи от хоризонта на събитията и ще остане да съществува в пространството. Това, което би видял един страничен наблюдател е как от нищото се появява частица. Наблюдателят няма да види античастицата, защото тя е погълната от черната дупка. С други думи, ще станем свидетели на „излизане” на материя от онзи обект, от който „дори светлината не може да избяга”. Този процес се нарича „изпарение” и теоретично значи, че черните дупки губят част от масата си и следователно не живеят вечно.

С поглъщането на антиматерия черната дупка губи материя, защото погълнатата антиматерия ще анихилира с материята, която вече е вътре и ще се преобразуват в чиста енергия според уравнението на Айнщайн E = mc².

Откритието на Хокинг ни показва, че черните дупки все още таят в себе си тайни, които трябва да разгадаем. От познатите ни черни дупки няма такава, при която изпарението да е значително. Напротив, то дори е почти нулево. Учените са установили, че колкото по-масивна е черната дупка, толкова по-слабо е изпарението. Ето защо те с нетърпение чакат пускането в експлоатация на ускорителя LHC в ЦЕРН. С негова помощ те смятат, че ще могат да наблюдават образуването на микроскопични черни дупки, при които изпарението е значително и така ще узнаем вярна ли е тази теория.

Изображение: НАСА

Квантова механика

Като повечето теории, и квантовата възниква, за да реши един проблем. Според електро - магнитната теория на Максуел и класическата физика излиза, че енергията в абсолютно черно тяло (тяло, което поглъща всяка дължина на вълната и излъчва само топлина) е безкрайно голяма, защото в него има вълни с всякакви дължини на вълните — от една максимална до безкрайно малки дължини. В реалния свят не е така.

Макс Планк предлага предпоставката, че енергията в електромагнитните вълни е на порции. Дробни части няма. Минималната енергия на всяка вълна зависи от честотата й:

• висока честота — висока минимална енергия;
• ниска честота — ниска минимална енергия.

Планк предполага, че има коефициент на пропорционалност между честота и енергия и това е константата на Планк — h.

ε = hν

Този коефициент е страшно малък, т. е. порциите енергия са страшно малки. С това горният проблем е решен, защото на практика хипотезата на Планк въвежда долна граница, под която дължината на вълната в черното тяло не може да падне и така енергията става крайно число.

Използвайки идеята за порциите, Айнщайн прави предположение през 1905 г., свързано с фотоефекта. Фотоефектът е явление, при което ако метал бъде облъчен със светлина, то от него биват избивани електрони. Установени са следните зависимости:

• колкото по-ярък е източникът на светлина, толкова повече електрони се избиват от метала, но енергията им остава постоянна независимо от цвета на светлината;
• колкото по-висока честота има източникът, толкова повече енергия имат избитите електрони, но броят им остава постоянен независимо от яркостта.

Тези факти могат да се обяснят с корпускулярен модел на светлината. Тя съществува на порции — кванти — наречени фотони.

Друго характерно явление, което учените са наблюдавали, е какво се получава ако насочим лъч светлина към два тънки процепа. Резултатът е интерференчна картина. Но дори да пускаме светлината фотон по фотон, с времето (като се натрупат достатъчно фотони) отново изниква същата интерференчна картина. Това е доказателтво, че светлината е вълна.

Абсолютно същите неща важат и за електроните, и за всички други частици.



Това видео на Dr Quantum го намерих благодарение блогът на Lyd: Полетът на костенурката

И материята, и взаимодействията — всичко има двойнствен характер!

По-нататъшни развития: Макс Планк предлага модел на вълнова функция (показва къде е най-вероятно да се намира дадена частица), а Шрьодингер го облича в математическо уравнение. В крайна сметка никой не знае как частиците "избират" да са някъде вместо другаде. Друго, алтернативно обяснение е това на Файнман: всеки електрон минава през двата процепа. Всъщност, всеки електрон минава през всички възможни траектории преди да достигне крайната си точка.


Принцип на неопределеността: Можем да знаем или местоположението, или скоростта на една частица, но не и двете.

За да знаем местоположението на една частица ние трябва да я засечем, но направим ли го, ние и влияем и променяме скоростта й. Същият принцип важи и при енергиите на частиците: Колкото по-малък период от време разглеждаме, толкова по-големи колебания в пълната енергия на частицата се наблюдават. Теоретично е възможно квантово тунелиране.

Квантова теория на полето

• Квантова електродинамика: полето е съставено от силови линии от фотони (частици - вестоносци), а енергията постоянно преминава в маса и обратно (за много кратки периоди от време);
• Квантова хромодинамика: силното взаимодействие се представя като взаимодействие чрез частици глуони;
• Квантова теория на електрослабото взаимодействие: оказва се, че при много високи температури и налягане слабото и ел. магнитното взаимодействия са едно и също нещо и по естествен път се обединяват в електрослабо взаимодействие. Тук частиците-вестоносци са W- и Z-бозоните.

Чрез всички тези частици: фотони, глуони и междинни векторни бозони, се обясняват съответните им взаимодействия, като те работят аналогично в квантовата механика. Само гравитационното взаимодействие не може да намери място тук.

Още нещо общо между гравитацията и другите взаимодействия е симетрията. От ОТО знаем, че съществува симетрия в гледните точки на независими наблюдатели — всеки може да приеме, че е неподвижен, а вселената се движи спрямо него, както и да приеме, че се движи ускорително, а гравитация няма. По същия начин има симетрия и в силното взаимодействие, наречена калибровъчна симетрия. Именно тези симетрии "налагат" съществуването на сили, които да държат системата "в равновесие и стабилност" при промяна на гледните точки. Благодарение на симетриите вселената съществува, законите й работят, и тя е такава, каквато я виждаме около нас. Симетрии има и в слабото, и в електромагнитното взаимодействия, но са по-трудни за представяне.

Квантовата механика се сблъсква с теорията на относителността по такъв начин, че се отричат взаимно. Според ТО следва, че ако няма маса, пространство-времето е гладко. Според КМ ако започнем да увеличаваме част от това празно пространство до мащабите на планковата дължина, тогава се проявяват флуктуации в пространство-времето, които не би трябвало да ги има. Те са причинени от неопределимостта, от това, че колкото по-малък период от пространство-време разглеждаме, толкова по-рязко се сменя големината на енергията и кривината на пространството. Привидно гладкото пространство-време представлява квантова пяна, която се забелязва само ако погледнем с най-голямото възможно увеличение.

Планкова дължина: 1.616 ×10-³³ cm. Това е размерът, при който квантовите флуктуации стават огромни.