Искаме да благодарим на The Great Courses Plus за подкрепата им за PBS Digital Studios. Този епизод на Космическо време е за нищо. Понеже се оказва, че това "нищо" е едно от най-интересните неща... в цялата физика.
Как изучаваме нищото? Един празен буркан пак съдържа нещо: молекули въздух и инфрачервена светлина от околната си среда. Има също заобикалящо електромагнитно жужене от заобикалящия го град.
И поток екзотични частици от заобикалящия го космос. Но какво ще стане, ако премахнем всяка една молекула въздух, охладим буркана до абсолютната нула и го защитим от всякаква външна радиация?
Бурканът ще съдържа само празно пространство. Но се оказва, че това празно пространство е далеч от нищо. В последния епизод говорихме до абсолютната нула. И видяхме, че всъщност е невъзможно
да охладиш което и да е вещество до температура от абсолютна нула. Нула келвина означават, че няма да има никакво движение на съставните частици не веществото. Но перфектната неподвижност означава, че позицията и импулсът на частиците
едновременно са перфектно определени. И това е невъзможно според принципа на неопределеността на Хайзенберг. Фиксирай позицията и импулса на една частица и нейното движение става квантова мъглявина от много възможни импулси.
Това води до реална минимална средна кинетична енергия, наречена енергия на точка нула. Стените на празния ни буркан винаги ще излъчват лека топлинна светлина. Но, хипотетично, как би изглеждало едно празно пространство
далеч от най-близката частица материя или радиация? Отговорът ще ни приближи до разбирането на природата на самия Космос. Съвременното ни разбиране за квантовата природа на пространството
е описана от теорията на квантовото поле. Доста говорихме за нея напоследък, но този епизод е много полезен, за да си я припомниш. Накратко,
самото пространство е съставено от фундаментални квантови полета, по едно за всяка елементарна частица. Тези полета трептят, вибрират с различни енергии.
И тези трептения са електроните, кварките, неутриното, фотоните, глуоните, т.н., които съставят нещата във Вселената ни. Тези полета са квантова полета, което означава, че трептенията им не могат да имат енергия според старото ни разбиране.
Те могат да бъдат възбудени само в квантовани части, цели кратни на някаква основна енергия. Във всяко квантово състояние, тоест... всяка комбинация от свойствата на една частица, има стълба от енергийни нива,
малко приличаща на електронните орбитали в един атом. Всяко ново стъпало на стълбата представлява съществуването на една допълнителна частица в това квантово състояние. Всъщност изчисленията в теорията на квантовото поле се отнасят само
за изкачването и слизането по тази "стълба" на частиците, като използва така наречените оператори "създаване и анихилация." Ще се върнем на тях, когато в бъдеще говорим за "Радиация на Хокинг". Дъното на тази квантова стълба съответства на квантовите осцилатори без никаква енергия,
което означава, че няма частици в даденото квантово състояние. Наричаме това вакуумно състояние на полето. В един перфектен вакуум всички полета при всички местоположения
трябва да са във вакуумно състояние, с точно нула енергия постоянно. Но отново се натъкваме на принципа на неопределеността на Хайзенберг. Видяхме, че е невъзможно
едновременно да фиксираме позицията и импулса на едно тяло. Също така е невъзможно едновременно перфектно да определим времето и енергията. Колкото по-тясно опитаме да определим времевия период
за поведението на един квантов осцилатор, толкова по-малко сигурни можем да сме за енергийното му състояние в този времеви прозорец. В екстремно нисък времеви мащаб едно квантово поле съществува като мъглявина от много енергийни състояния.
Във вакуум най-вероятното състояние в тази мъглявина е нулево енергийното вакуумно състояние. Но понякога полето има достатъчно енергия, че да създаде частица,
сякаш от нищото. Наричаме тези виртуални частици и те изглежда са двигателят под "капака" на всички взаимодействия между частици във Вселената,
поне както са описани от теорията за квантовото поле. Например, теорията за квантовото поле описва електромагнитните сили като обмена на виртуални фотони
между заредени частици. Виртуалните частици са свръзките, които ръководят всички взаимодействия между частици в известните диаграми на Файнман. Но за да изчислим правилно едно взаимодействие на реални частици,
трябва да отчетем всяко поведение на свързващите виртуални частици, което можем да си представим. Това включва наглед невъзможно поведение. Например при теорията на квантовото поле виртуалните частици могат да имат всяка маса и всяка бързина, включително бързини по-големи от скоростта на светлината.
И дори могат да се движат назад във времето. Покрихме тази странност в епизода "Над". Двойнствената същност на виртуалните частици изглежда им дава нереални свободи. Но има ограничения. Например, трябва да са спазени квантовите закони за запазване.
Повечето виртуални частици са създадени в двойки частица-античастица. Но крайната цена е, че виртуалните частици могат да съществуват само за момента, позволен от принципа за неопределеността на Хайзенберг. И колкото по-висока е енергията на частицата, толкова по-малко време може да съществува.
Това ограничение определя диапазона на фундаменталните сили. Например един фотон без маса може да има най-малката от възможните енергии. И виртуалните фотони могат да съществуват за всякакъв период от време, достатъчно дълъг, че да пренесат електромагнитната сила на всякакво разстояние.
От друга страна, винаги е нужно основно количество енергия за създаване на глуон, носителят на силната ядрена сила, понеже глуоните имат маса.
Това означава, че има ограничение на броя виртуални електрони, които могат да съществуват и да се движат, което, от своя страна, прави силната ядрена сила сила с много къс диапазон. Може да се спори, че виртуалните частици са само математически уред за описване на поведението на един динамичен вакуум,
и че такива частици всъщност не съществуват. Или че са само квантови възможности за частици, които някак си ръководят взаимодействията на реалните частици, без самите те да бъдат обременявани от реалността.
Реални или не, изчисленията за ТКП, които се основават на тези частици, са поразяващо точни. Но как да се уверим в съществуването на тези неуловими същества.
Те съществуват в интервала между измерванията на реалните частици. По определение, те могат да съществуват само, когато не ги гледаме. Но, все пак, оставят призрачния си отпечатък във Вселената.
Първият намек за съществуването на виртуалните частици идва през 1947, когато Уилис Лам и Робърт Ръдърфорд забелязали малка разлика в енергията между двете електронни орбитали, които съставят второто енергийно ниво на водородния атом.
Според най-добрата съществуваща теория по онова време, тези орбитали трябвало да имат точно еднаква енергия. Леката разлика, днес наречена "изместване на Лам", вдъхновила теоретиците да се разровят по-надълбоко. Не им трябвало много време.
През същата година, в която изместването на Лам било наблюдавано за пръв път, немският физик, Ханс Бете, успешно го обяснил по отношение на флунктуираща (променлива) вакуумна енергия. Двойки виртуална частица анти-частица
в пространството между орбиталите и ядрото се подреждат към електричното поле. Това частично защитава електроните от положителния заряд на ядрото. И количеството "защита"
е леко различно между тези орбити. Изчислението на големината на изместването на Лам е едно от най-точните прогнозирания в цялата физика. Друг начин да търсим виртуални частици
е чрез масовия им ефект върху вакуума. Ако квантовите полета са мъглявина, в която частиците започват и спират да съществуват, тогава така наречената енергия на точка нула на тези полета
не трябва да е нула. Напълно празното пространство трябва да има реална енергия. Трябва да има "вакуумна енергия". През 1948 холандския физик, Хендрик Казимир,
измислил брилянтна схема за засичане на това. Той си представил две провеждащи плочки, събрани толкова близо една до друга, че само определени виртуални фотони
да могат да съществуват между плочките. По същия начин, по който тръбата на орган или нишката на китара с определена дължина трепти само с вълни с определени честоти. Всеки не-резонантен виртуален фотон ще бъде изключен,
намалявайки вакуумната енергия между плочките. Но на повърхността на плочките всички честоти на виртуалния фотон са позволени. По-голямата вакуумна енергия отвън,
в сравнение с вътрешността на плочките, трябва да доведе до диференциал в налягането, който да избута плочките една към друга. "Ефектът на Казимир" бил успешно измерен през 1996 година от Стивън Ламоро във Вашингтонския университет
въз основа на началните идеи на студента му, Дев Сен. Когато били разделени на по-малко от един микрометър провеждащите плочки били привличани една към друга от сила, която съвпадала с прогнозите на теорията на квантовото поле.
И докато потенциално има другия обяснения за наблюдаваната сила, това е било прието за силно доказателство, че вакуумната енергия е реална. Нито Ефектът на Казимир, нито изместването на Лам позволяват измерване на абсолютната сила на вакуумната енергия.
Те просто измерват относителния ѝ ефект между вътрешната и външната част на плочите на Казимир или между електроните в съседни орбитали.
И колко вакуумна енергия има? Има два основни начина да изчислим това. Единият е чрез наблюдение, а другият е теоретичен.
Наблюдението е ускоряващото се разширяване на Вселената. Тъмната енергия, сама по себе си, може да е вакуумна енергия. Ако е така, тогава количеството вакуумна енергия, необходимо за създаването на наблюдаването ускорение, е малко. Около една 100-милионна от един ерг на кубичен сантиметър.
И теоретичното изчисление на силата на вакуумната енергия е малко високо от това. Всъщност е със 120 реда големина по-голямо. Това странно несъответствие между теория и наблюдение
се приема от някои за една от най-големите нерешени мистерии във физиката. Теорията на квантовото поле с нейната зависимост от виртуалните частици и вакуумни флунктуации (промени) е една от най-успешните теории в цялата наука.
И все пак нейните прогнози за силата на вакуумната енергия изглежда са доста погрешни. Всъщност това е много вълнуващо. Казва ни, че все още нямаме цялата картина
и може да предостави насока към следващата стъпка, която трябва да предприемем. В следващ епизос се разгледаме по-задълбочено това объркващо несъвпадане между теорията и наблюденията
за поведението на "нищото". И това може да ни покаже нещо за подлежащите принципи на пространство-времето. The Great Cources Plus е дигитална услуга за обучение,
която ти позволява да учиш за множество теми от професори от университети от Бръшляновата лига и други преподаватели от целия свят. Отиди на "TheGreatCoursesPlus.com/SpaceTime" и получи достъп до библиотека с различни видео лекции за наука, математика, история, литература
или дори как да готвиш, играеш шах или да станеш фотограф. Нови предмети, лекции и професори са добавяни всеки месец. Последната седмица говорихме за чудесата и невъзможността на
температура от абсолютна нула. И, както се оказва, Бенджамин Шумахер има чудесен епизод за абсолютната нула в курса си, "Невъзможно: Физика отвъд ръба".
Хвърли му един поглед за повече "завладяващи" детайли. С Great Courses Plus можеш да гледаш колкото си искаш различни лекции по всяко време, навсякъде, без тестове или изпити.
Помогни да подкрепим поредицата и започни безплатния си пробен период като кликнеш на линка по-долу или посетиш TheGreatCoursesPlus.Com/SpaceTime И като говорим за абсолютната нула,
имахте някои отлични коментари и въпроси. Man-from-Nantucket пита дали можеш да замразиш хелия, ако е под налягане. Радвам се, че попита това. Всъщност, да.
Хелият не може да се замрази при атмосферно налягане, но ако увеличиш налягането до около 24 атмосфери, можеш да направиш хелиев лед при 1,5 градуса по келвин. Точките, при които едно вещество променя състоянието си,
зависят и от температурата, и от налягането. Колкото по-голямо е налягането, толкова по-висока е температурата на тези промени в състоянието. Друг пример, ядрата на Юпитер и Сатурн може да са до голяма част течен водород,
въпреки факта, че температурите там са доста по-високи от точката на изпарение на водорода при атмосферно налягане. Laxmi Papney пита дали съм казал, че Хелий-4 е бозон. Да, казах това-
Всяка частица със спин от цяло число е бозон, докато тези със спин от половин цяло число са фермиони. Обикновено мислим за частиците материя като за фермиони, понеже елементарните частици, които създават атомите, са фермиони с половин спин. Тоест електрони и кварки.
Докато носещите сила частици като фотони, глуони и т.н. са със спин 1. Бозони, протони и неутрони, които комбинират тези кварки, имат спинове от 1/2.
Но в ядро на Хелий-4 протоните се съчетават и имат противоположни спинове, така че се съкращават. Същото се случва с неутроните и електроните. Резултатът е спин от нула,
което е цяло число, и Хелий-4 действа като бозон. Flo Striker се чуди за идеята за отрицателни температури по Келвин. И, да наистина има такова нещо, въпреки че не е много логично,
понеже ако едно вещество има отрицателна температура, това означава, че е по-горещо от всяко вещество с положителна температура. За нормални положителни температури кинетичните енергии на частицата имат голям диапазон,
но винаги имат разпределение, характеризирано от закона на Планк. По същество, несиметрична камбановидна крива. Но при отрицателни температури повечето частици са възбудени към най-високите възможни енергийни състояния.
Това означава, че вещество с отрицателна температура може само да изгуби топлинна енергия в полза на вещество с положителна температура, а не да я получи. Тогава защо наричаме това "отрицателна температура"? Това е една странност на изчисленията.
Температурата може да бъде определена като скоростта на промяна на топлинната енергия, делена на скоростта на промяна на ентропията. При нормални вещества с положителна температура ентропията винаги се увеличава, когато добавяш топлина.
Тоест това съотношение е положително. Но когато натрупаш частици към най-високите енергийни състояния има специално подреждане, което ги прави с ниска ентропия.
Добавяш повече енергия и повече частици достигат най-високото енергийно състояние, което още повече намалява ентропията. Ентропията намалява, когато бива добавена топлина. Ако температурата е промяната в топлинната енергия върху ентропията,
тогава температурата е отрицателна. HK Norman би искал да споменем скорошното откритие на половината от липсващата материя във Вселената. Да споменем?
Самото съществуване на „нещо“ поражда въпроси, всичко е толкова необяснимо, че въпреки всички открития и откровения на великите умове на света… религията все още се счита за като че ли единственото обяснение за всичко според масата живи човеци на тази планета.
И не, отговорът определено не е в светите писания
Характерът на „нищо“ е интересна тема, квантовите теоритици са обладани от отговорите, които се крият там и работата тече неуморно. Не е случайно, че наблюденията с набора от инструменти, които сме създали – телескопи, суперкомпютри, изчислителни центрове водят до това да мислим и анализираме „нищото„, все пак… то е далеч повече от всичко друго във вселената.
Приятно Гледане!
