من المفاهيم المهمة التي تلعب دورًا كبيرًا في الفهم الحديث للكون الفراغات ، أو الفراغ في اللاتينية ، شكل الجمع لكلمة "فراغ".
قد تعلم أن الفيزيائيين يسمون الفراغ مساحة فارغة لا يوجد فيها شيء - لا هواء ولا حتى جسيمات أولية تطير. ولكن هناك شيء غريب في فكرة الفراغ في صيغة الجمع. يبدو أنه تمت إضافة شيء آخر لهذا المفهوم! هذا ما سأحاول شرحه.
يمكن أن تقدم النظرية وصفًا للمساحة الفارغة
بادئ ذي بدء ، دعني أذكرك بما هي النظرية في الفيزياء. هذا ليس منطقًا أو فكرة ؛ إنه شيء أكثر تحديدًا. النظرية هي مجموعة من المعادلات والمفاهيم ذات الصلة التي تسمح للعلماء بعمل تنبؤات حول سلوك الأشياء المادية. يجب أن تصف بعض النظريات العالم الحقيقي. تصف معظم النظريات عوالم وهمية ؛ لكن أي نظرية معقولة تجعل التنبؤات متسقة وتصف جوانب العالم المحتمل.
على سبيل المثال ، نظرية الجاذبية لنيوتن ، والتي تتناسب فيها قوة الجاذبية بين جسمين تقع على مسافة r ، تتناسب مع 1 / r
2 ، تصف تقريبًا ما يحدث في العالم الحقيقي. يمكن أن تكون هناك نظرية أخرى عن الجاذبية ، حيث تتناسب القوة مع 1 / r
3 . ستظل هذه نظرية فيزيائية ، لأنها تضع تنبؤات واضحة لكيفية جذب الأشياء لبعضها البعض بفضل الجاذبية ، لكنها تصف عالمًا خياليًا ، وليس عالمنا ، حقيقيًا. هذه نظرية فيزيائية طبيعية تمامًا ، لكنها لا تصف طبيعة عالمنا.
بعض النظريات (ليس كلها بالطبع) يجب أن تصف ليس فقط الأشياء ، ولكن أيضًا غياب الأشياء في شكل مساحة فارغة - تُعرف أيضًا باسم الفراغ. في زمن نيوتن ، كانت المساحة الفارغة بسيطة. كان ذلك مجرد مساحة فارغة. ولكن على مر السنين ، أصبح الفضاء الخالي معقدًا بشكل متزايد. في القرن التاسع عشر ، أصبح من المعروف أن هناك حقولًا في مساحة فارغة - واليوم نعتبر الحقول جوانب أولية للكون ، وبالتالي فهي مهمة للغاية!
الحقول
الحقل هو كيان يمكنه إحداث فرق في أي مكان في الفضاء في أي وقت معين. في الحياة اليومية ، نواجه مجالًا على شكل درجة حرارة الهواء - في أي وقت وفي أي مكان يمكنك قياس درجة الحرارة ، وإذا كنت تعرف درجة الحرارة في المساحة كلها ، فأنت تعرف مجال درجة الحرارة في تلك اللحظة. لكن هذا المثال ليس مناسبًا لنا ، لأن درجة حرارة الهواء منطقية في وجود الهواء ، وفي الفضاء الفارغ ، فإن مجال درجة الحرارة لا معنى له.
مثال أفضل هو المجال الكهربائي (المسؤول عن البرق ، التصاق ثابت ، والتيارات الكهربائية في الأسلاك). المجال الكهربائي هو مجال أساسي للطبيعة موجود حتى في الفضاء الخالي. وينطبق الشيء نفسه على جميع المجالات الأولية للطبيعة ، بما في ذلك حقل W ، وحقل الإلكترون ، وحقل الميون ، وما إلى ذلك ، بما في ذلك حقل Higgs الشهير الآن.
فراغ مقابل فراغ
لذلك عندما نتحدث عن الفضاء الفارغ ، نعني المساحة الفارغة قدر الإمكان. بمعنى ما ، إنها فارغة ، لأنه لا توجد جزيئات فيها ، ولا حتى جزيئات الضوء (الفوتونات). والجسيمات طويلة الأمد وتتصرف ببساطة في اضطرابات المجال. لكن بمعنى ما ، إنها ليست فارغة ، بسبب المجال الكهربائي ، حقل W ، حقل Higgs ، طوال الوقت هناك! لا يمكنك تحديد فراغ بعبارة بسيطة "مساحة فارغة" ، لأننا لا نحتاج فقط إلى القول بأنه لا توجد جزيئات فيها ، بل نحتاج أيضًا إلى قول ما تفعله الحقول بالضبط في هذه المساحة الفارغة. أي أننا بحاجة إلى تحديد تكوين الحقول في هذا الفراغ.
في فراغ معين ، يمكن تعديل الحقول بطريقة تجعل متوسط القيمة بالنسبة لمعظمها صفرًا. في المتوسط ، لأن التقلبات الكمومية تضمن تذبذبًا طفيفًا في القيم. لكن بعضها قد لا يكون في المتوسط صفر. هذا صحيح بالنسبة للفراغ لدينا - جميع الحقول في المتوسط صفر ، باستثناء حقل هيجز ، الذي متوسط قيمته غير صفري وثابت في جميع أنحاء الجزء المرئي من الكون (باستثناء ارتعاش الكم). هذا مهم جدا! العالم الذي نعرفه لا يمكن أن يعرف إذا كان متوسط قيمة حقل هيجز صفرًا - فلن نكون فيه على الإطلاق.
قد يكون هناك العديد من الفراغات المختلفة في الكون. أي أن الفضاء يمكن أن يكون فارغًا قدر الإمكان بعدة طرق - هناك أكثر من طريقة لضبط حقول الكون حتى في غياب أي جسيمات. وبالمثل ، يمكن لنظرية تصف الكون أن تتنبأ بوجود أكثر من نوع واحد من الفراغ. مثال على هذه النظرية هو النموذج القياسي ، المعادلات المستخدمة لوصف وتوقع سلوك الجسيمات الأولية المعروفة وتفاعلات الطبيعة (لا تشمل العناصر الأكثر غموضاً: الجاذبية ، المادة المظلمة والطاقة المظلمة). الآن ، بعد أن قمنا بقياس كتلة جسيم هيجز ، نعلم أن النموذج القياسي يتنبأ بمكانين مختلفين - في أحدهما يحتوي حقل هيجز على القيمة التي نلاحظها ، وفي الآخر أكبر بكثير. بشكل عام ، تتنبأ النظرية بإمكانية وجود وضعين مختلفين تمامًا لسلوك الفضاء الفارغ.
التين. 1لكن دعنا نوضح شيئا. تتنبأ نظرية تسمى النموذج القياسي بهذا للكون الخيالي الموصوف في النموذج القياسي. لا نعلم بعد من التجارب ما إذا كان النموذج القياسي يصف الكون الحقيقي - أي ما إذا كان الكون الخيالي للنموذج القياسي والكون الحقيقي الذي نعيش فيه متشابهان بما يكفي بحيث تتزامن توقعات النموذج القياسي (النظرية) مع جميع نتائج جميع التجارب (البيانات). لذلك ، لا نعرف ما إذا كان هناك فراغان تنبأ بهما النموذج القياسي في العالم الحقيقي.
الفراغ مثل قاع الوعاء
سأصف أحد الخصائص الرئيسية للفراغ. تسمح نفس الخاصية للكرة بالراحة في قاع الوعاء.
التين. 2الجزء السفلي من الوعاء مستقر للكرة. إذا قمت بتحريك الكرة لمسافة قصيرة في أي اتجاه ، فستتراجع إلى الوراء ، وستصبح أكثر تكلفة قليلاً ، ثم ستوقفها قوة الاحتكاك في الأسفل. عندما تحرك الكرة لمسافة صغيرة من الأسفل ، تزداد طاقتها (التفاعل مع جاذبية الأرض) ، وتميل إلى تقليل هذه الطاقة من خلال العودة إلى نقطة البداية ، حيث تكون طاقة الجاذبية هي الأصغر. الوضع المستقر هو الوضع الذي تزيد فيه أي حركة للكرة طاقتها ، أو على الأقل لا تقللها. وفقًا لذلك ، إذا كان بإمكانك تحريك الكرة لتقليل طاقتها ، فستدحرج الكرة في هذا الاتجاه ولن تعود بالضرورة - في هذه الحالة ، لن يكون التيار الأولي في وضع ثابت.
بحكم التعريف ، الفراغ هو تكوين مستقر لحقول الكون والكون نفسه. "إذا قام شخص ما بتغيير قيم الحقول في الفراغ قليلاً ، فإن قيم الحقول تميل إلى العودة إلى وضعها الأولي ، ثم تدور حولها قليلاً وتهدأ. الفراغ هو تكوين الحقول ، ل التي تكون فيها طاقة الكون ضئيلة ؛ أي تغيير طفيف في الحقول يؤدي إلى زيادة (أو على الأقل لا يؤدي إلى انخفاض) في طاقة الكون ، وتميل الحقول دائمًا إلى العودة إلى قيمها في فراغ.
التين. 3: أوعية مختلفة مع مواقف ثابتة مختلفة للكرةدعنا نعود إلى الكرة. يمكنك أن تتخيل موقفًا لدي فيه وعاءان متطابقان ، لكل منهما وضع ثابت للكرة. أو يمكنك تخيل وعاء ذو شكل غريب مع وضعين مستقرين مختلفين على ارتفاعات مختلفة. أو يمكنك تخيل وعاء أكثر تعقيدًا بكثير مع العديد من المواقف المستقرة. يمكنك أن تتخيل كيف نضع الكرة في أحد المواضع المختلفة الموضحة في الشكل. 3 سهام ، وتبقى هناك إلى أجل غير مسمى ، لأن أي تحول صغير في موضع الكرة لن يكون كافيًا لتحريكها من موضع ثابت إلى آخر (تأثير النفق الكمومي يعقد هذا الموقف ، لكننا سنتحدث عنه في المرة القادمة).
وبالمثل ، يمكن أن يكون للكون - أو يمكن لنظرية الكون أن تتنبأ بوجود - أكثر من تكوين مستقر للحقول ، أي أكثر من فراغ واحد. لا أحد يحد من عدد الفراغات المحتملة ، على الرغم من أن النظريات البسيطة عادة ما تحتوي على عدد قليل جدًا منها. عادة ما تكون النظريات التي تحتوي على أنواع كثيرة من الحقول تحتوي على العديد من الفراغات. اتضح أن السؤال ، وإن لم يكن بشكل مباشر ، يتعلق بعدد أنواع الحقول الموجودة في الكون؟ معروف لنا فقط؟ أو الآلاف منهم؟
هل يحتوي كوننا على العديد من الفراغات؟
كيف يتنبأ النموذج القياسي بوجود فراغين في عالمنا؟ أولاً ، من السهل أن تُظهر (إذا كنت تعرف كيفية الحساب) أن كل حقل أولي في النموذج القياسي ، باستثناء حقل هيجز ، يجب أن يكون له متوسط قيمة صفر في أي فراغ. لكن حقل هيجز ليس هكذا ؛ يمكنها أن تمتلك ولها قيمة متوسطة غير صفرية في الفراغ المعروف لنا ، ويمكن أن تمتلكها في أي فراغ آخر ممكن. لمعرفة ما هي القيم الثابتة لحقل هيجز ، نحسب طاقة الفضاء الفارغ كدالة لمتوسط قيمة حقل هيجز. من المثير للاهتمام ، يمكن للفيزيائيين اليوم إجراء حسابات مفصلة للغاية ، لأنهم بالفعل:
• يقيس بدقة كتلة الكوارك العلوي ،
• اكتشف جسيم هيجز (الذي يوجد ، حسب النموذج القياسي ، نوع واحد فقط) ، و
• قياس كتلة جسيم هيجز.
ونتيجة لذلك ، توصلوا إلى استنتاج مشابه للاستنتاج الموضح في الشكل. 4. مثل وعاء مزدوج في منتصف التين. 3 ، التي لها موقعان مستقران ، حيث تؤدي أي حركة للكرة إلى زيادة طاقتها ، وطاقة مجال هيجز. النموذج القياسي يتنبأ بحد أدنى اثنين. هذا يعني أن هناك نوعان من الفراغات المشار إليها بالسهام في الشكل. 4 ، مع الخصائص المشار إليها في الشكل. 1: فراغ واحد معروف لنا ، مع قيمة صغيرة إلى حد ما لحقل هيجز ، والآخر ، فراغ غريب ، بقيمة كبيرة.
الموقع الدقيق والعمق (قيمة حقل هيجز وطاقة الفضاء الفارغ) من الفراغ الغريب هو سؤال مفتوح. يعتمدون إلى حد كبير على كتل الكوارك العلوي وجسيم هيجز ، والتي قد يظل فهمنا لها خاضعًا لتغييرات صغيرة ولكنها مهمة بناءً على بيانات مصادم الهادرون الكبير. التين. 4 يظهر أفضل تخمين حالي ، حيث فراغنا لديه طاقة أكثر من غريبة.
التين. 4ولكن يجب أن تتذكر دائمًا أن النموذج القياسي قد لا يصف كوننا جيدًا بما فيه الكفاية بحيث تكون جميع هذه الاستنتاجات صحيحة. نحن نعلم بالفعل أن النموذج القياسي لا يأخذ في الاعتبار الجاذبية والمادة المظلمة والطاقة المظلمة ؛ قد لا تأخذ في الاعتبار عربة كاملة من الجسيمات غير المعروفة. قد توجد أنواع أخرى من جسيمات هيجز. وعليه ، فإننا لا نعرف أي شيء بثقة. في عالمنا يمكن أن يكون هناك فراغ واحد فقط ، أو ثلاثة ، أو مائة ، أو أكثر. تظل دراسة فراغ الكون مجالًا من مجالات البحث النشط ، والتي يمكن من حيث المبدأ أن تستمر لعدة قرون.