Ein wichtiges Konzept, das eine große Rolle für das moderne Verständnis des Universums spielt, ist Vacuums oder Vacua im Lateinischen, die Pluralform des Wortes „Vakuum“.
Sie wissen vielleicht, dass Physiker ein Vakuum einen leeren Raum nennen, in dem es nichts gibt - weder Luft noch fliegende Elementarteilchen. Aber dann ist etwas Seltsames in der Vorstellung vom Vakuum im Plural. Anscheinend wurde diesem Konzept noch etwas hinzugefügt! Das werde ich versuchen zu erklären.
Die Theorie kann eine Beschreibung des leeren Raums bieten
Lassen Sie mich zunächst daran erinnern, was Theorie in der Physik ist. Dies ist keine Argumentation oder Idee; es ist etwas spezifischeres. Eine Theorie besteht aus einer Reihe von Gleichungen und verwandten Konzepten, mit denen Wissenschaftler Vorhersagen über das Verhalten physikalischer Objekte treffen können. Einige Theorien müssen die reale Welt beschreiben; Die meisten Theorien beschreiben imaginäre Welten. Aber jede vernünftige Theorie macht konsistente Vorhersagen und beschreibt Aspekte einer möglichen Welt.
Zum Beispiel beschreibt Newtons Gravitationstheorie, bei der die Gravitationskraft zwischen zwei in einem Abstand r befindlichen Objekten proportional zu 1 / r
2 ist , grob, was in der realen Welt geschieht. Es könnte eine andere Gravitationstheorie geben, bei der die Kraft proportional zu 1 / r
3 ist . Dies wäre immer noch eine physikalische Theorie, da sie klare Vorhersagen darüber macht, wie Objekte aufgrund der Schwerkraft voneinander angezogen werden sollten, aber sie würde eine imaginäre Welt beschreiben, nicht unsere, die real ist. Dies ist eine völlig normale physikalische Theorie, die jedoch nicht die Natur unserer Welt beschreibt.
Einige Theorien (natürlich nicht alle) müssen nicht nur Objekte beschreiben, sondern auch das Fehlen von Objekten in Form eines leeren Raums - auch als Vakuum bekannt. Zu Newtons Zeiten war der leere Raum einfach. Es war nur das, nur leerer Raum. Im Laufe der Jahre wurde der leere Raum jedoch immer komplexer. Im 19. Jahrhundert wurde bekannt, dass es Felder im leeren Raum gibt - und heute betrachten wir Felder als elementare Aspekte des Universums, daher sind sie äußerst wichtig!
Felder
Ein Feld ist eine Entität, die zu einem bestimmten Zeitpunkt überall im Raum einen Unterschied machen kann. Im Alltag begegnen wir einem Feld in Form einer Lufttemperatur - jederzeit und an jedem Ort können Sie die Temperatur messen, und wenn Sie die Temperatur im gesamten Raum kennen, kennen Sie das Temperaturfeld in diesem Moment. Dieses Beispiel ist jedoch für uns nicht geeignet, da die Lufttemperatur in Gegenwart von Luft sinnvoll ist und im leeren Raum das Temperaturfeld bedeutungslos ist.
Ein besseres Beispiel wäre ein elektrisches Feld (verantwortlich für Blitzschlag, statische Haftung und elektrische Ströme in Drähten). Ein elektrisches Feld ist ein elementares Naturfeld, das auch im leeren Raum existiert. Gleiches gilt für alle elementaren Naturfelder, einschließlich des W-Feldes, des Elektronenfeldes, des Myonenfeldes usw., einschließlich des inzwischen berühmten Higgs-Feldes.
Vakuum gegen Vakuum
Wenn wir also von leerem Raum sprechen, meinen wir den Raum, der so leer wie möglich ist. In gewissem Sinne ist es leer, weil es keine Teilchen enthält, nicht einmal Lichtteilchen (Photonen). Und Partikel sind langlebig und verhalten sich einfach Feldstörungen. Aber in gewissem Sinne ist es nicht leer, aufgrund des elektrischen Feldes, des W-Feldes, des Higgs-Feldes, die ganze Zeit dort! Sie können ein Vakuum nicht mit einem einfachen Ausdruck „leerer Raum“ definieren, da wir nicht nur sagen müssen, dass sich keine Partikel darin befinden, sondern auch sagen müssen, was genau die Felder in diesem leeren Raum tun. Das heißt, wir müssen die Konfiguration der Felder in diesem Vakuum bestimmen.
In einem bestimmten Vakuum können die Felder so eingestellt werden, dass für die meisten von ihnen der Durchschnittswert Null ist. Im Durchschnitt, weil Quantenfluktuationen einen leichten Jitter von Werten garantieren. Einige von ihnen sind jedoch möglicherweise nicht durchschnittlich Null. Dies gilt für unser Vakuum - alle Felder sind im Durchschnitt Null, mit Ausnahme des Higgs-Feldes, dessen Durchschnittswert im gesamten sichtbaren Teil des Universums ungleich Null und konstant ist (mit Ausnahme von Quantenjitter). Es ist sehr wichtig! Die Welt, die wir kennen, könnte nicht bekannt sein, wenn der Durchschnittswert des Higgs-Feldes Null wäre - wir wären überhaupt nicht dabei.
Es kann mehrere verschiedene Staubsauger im Universum geben. Das heißt, der Raum kann auf verschiedene Weise so leer wie möglich sein - es gibt mehr als eine Möglichkeit, die Felder des Universums anzupassen, selbst wenn keine Partikel vorhanden sind. In ähnlicher Weise kann eine Theorie, die das Universum beschreibt, das Vorhandensein von mehr als einer Art von Vakuum vorhersagen. Ein Beispiel für eine solche Theorie ist das Standardmodell, die Gleichungen, die zur Beschreibung und Vorhersage des Verhaltens bekannter Elementarteilchen und Wechselwirkungen der Natur verwendet werden (ohne die mysteriöseren Elemente: Schwerkraft, Dunkle Materie und Dunkle Energie). Nachdem wir nun die Masse des Higgs-Partikels gemessen haben, wissen wir, dass das Standardmodell zwei verschiedene Vakuums vorhersagt - in einem von ihnen hat das Higgs-Feld den Wert, den wir beobachten, und in dem anderen ist es viel größer. Im Allgemeinen sagt die Theorie die Möglichkeit der Existenz von zwei sehr unterschiedlichen Verhaltensweisen des leeren Raums voraus.
Abb. 1Aber lassen Sie uns etwas klarstellen. Eine Theorie namens Standardmodell sagt dies für das vom Standardmodell beschriebene imaginäre Universum voraus. Aus Experimenten wissen wir noch nicht, ob das Standardmodell das reale Universum beschreibt - das heißt, ob das imaginäre Universum des Standardmodells und das reale Universum, in dem wir leben, ähnlich genug sind, so dass die Vorhersagen des Standardmodells (Theorie) mit allen Ergebnissen aller Experimente übereinstimmen (Daten). Daher wissen wir nicht, ob es in der realen Welt zwei vom Standardmodell vorhergesagte Vakuums gibt.
Das Vakuum ist wie der Boden einer Schüssel
Ich werde eine der Haupteigenschaften eines Vakuums beschreiben. Die gleiche Eigenschaft ermöglicht es dem Ball, am Boden der Schüssel zu ruhen.
Abb. 2Der Boden der Schüssel ist stabil für den Ball. Wenn Sie den Ball ein kurzes Stück in eine beliebige Richtung bewegen, rollt er zurück, wird etwas teurer, und die Reibungskraft stoppt ihn ganz unten. Wenn Sie den Ball ein kleines Stück vom Boden weg bewegen, nimmt seine Energie (Wechselwirkungen mit der Schwerkraft der Erde) zu und verringert diese Energie tendenziell durch eine Rückkehr zum Startpunkt, an dem die Schwerkraftenergie am geringsten ist. Eine stabile Position ist eine Position, in der jede Bewegung des Balls seine Energie erhöht oder zumindest nicht verringert. Wenn Sie den Ball bewegen können, um seine Energie zu reduzieren, rollt der Ball in diese Richtung und kehrt nicht unbedingt zurück. In diesem Fall ist der Anfangsstrom keine stabile Position.
Per Definition ist ein Vakuum eine stabile Konfiguration der Felder des Universums und des Kosmos selbst. "Wenn jemand die Werte der Felder in einem Vakuum ein wenig ändert, kehren die Werte der Felder tendenziell in ihre Ausgangsposition zurück, dann gehen sie ein wenig herum und beruhigen sich. Vakuum ist eine Konfiguration von Feldern, z Wenn die Energie des Universums minimal ist, führt jede kleine Änderung der Felder zu einer Zunahme (oder zumindest nicht zu einer Abnahme) der Energie des Universums, und die Felder kehren im Vakuum immer zu ihren Werten zurück.
Abb. 3: verschiedene Schalen mit unterschiedlichen stabilen Positionen für den BallGehen wir zurück zum Ball. Sie können sich eine Situation vorstellen, in der ich zwei identische Schalen habe, von denen jede eine stabile Position für den Ball hat. Oder Sie können sich eine Schüssel mit einer seltsamen Form mit zwei verschiedenen stabilen Positionen in unterschiedlichen Höhen vorstellen. Oder Sie können sich eine viel komplexere Schüssel mit vielen stabilen Positionen vorstellen. Sie können sich vorstellen, wie wir den Ball in eine der verschiedenen Positionen bringen, die in Abb. 1 markiert sind. 3 Pfeile, und es bleibt dort auf unbestimmte Zeit, da eine kleine Verschiebung der Position des Balls nicht ausreicht, um ihn von einer stabilen Position in eine andere zu bewegen (der Quantentunneleffekt erschwert diese Situation, aber wir werden das nächste Mal darüber sprechen).
In ähnlicher Weise kann das Universum mehr als eine stabile Feldkonfiguration haben, dh mehr als ein Vakuum, oder die Theorie des Universums kann die Existenz vorhersagen. Niemand begrenzt die Anzahl möglicher Staubsauger, obwohl einfache Theorien normalerweise nur wenige davon haben. Nur Theorien mit vielen Arten von Feldern haben normalerweise viele Vakuums. Es stellt sich heraus, dass die Frage, wenn auch nicht direkt, damit zusammenhängt, wie viele Arten von Feldern sich in unserem Universum befinden. Nur uns bekannt? Oder Tausende von ihnen?
Hat unser Universum viele Staubsauger?
Wie kommt es, dass das Standardmodell vorhersagt, dass es in unserem Universum zwei Vakuums gibt? Erstens ist es einfach zu zeigen (wenn Sie wissen, wie man berechnet), dass jedes Elementarfeld im Standardmodell mit Ausnahme des Higgs-Feldes in jedem Vakuum einen Mittelwert von Null haben sollte. Aber das Higgs-Feld ist nicht so; es kann in dem uns bekannten Vakuum einen Mittelwert ungleich Null besitzen und haben und kann es in jedem anderen möglichen Vakuum besitzen. Um herauszufinden, was die stabilen Werte für das Higgs-Feld sind, berechnen wir die Energie des leeren Raums als Funktion des Durchschnittswerts des Higgs-Feldes. Interessanterweise können Physiker heute sehr detaillierte Berechnungen durchführen, da sie bereits:
• die Masse des oberen Quarks genau gemessen,
• entdeckte das Higgs-Teilchen (nach dem Standardmodell gibt es nur eine Art) und
• die Masse des Higgs-Partikels gemessen.
Infolgedessen kommen sie zu einem ähnlichen Ergebnis wie in Abb. 4. Wie eine Doppelschüssel in der Mitte von Abb. 3, das zwei stabile Positionen hat, in denen jede Bewegung des Balls seine Energie erhöht, die Energie des Higgs-Feldes. Das Standardmodell sagt zwei Minima voraus. Dies bedeutet, dass in Abb. 2 zwei Staubsauger durch Pfeile gekennzeichnet sind. 4 mit den in Fig. 4 angegebenen Eigenschaften. 1: ein uns bekanntes Vakuum mit einem eher kleinen Wert des Higgs-Feldes, das andere ein exotisches Vakuum mit einem großen Wert.
Die genaue Position und Tiefe (der Wert des Higgs-Feldes und die Energie des leeren Raums) eines exotischen Vakuums ist eine offene Frage. Sie hängen sehr stark von den Massen des oberen Quarks und des Higgs-Teilchens ab, deren Verständnis aufgrund der Daten des Large Hadron Collider noch kleine, aber kritische Änderungen erfahren kann. Abb. 4 zeigt die derzeit beste Vermutung, wo unser Vakuum mehr Energie als exotisch hat.
Abb. 4Sie müssen sich jedoch immer daran erinnern, dass das Standardmodell unser Universum möglicherweise nicht gut genug beschreibt, damit alle diese Schlussfolgerungen richtig sind. Wir wissen bereits, dass das Standardmodell Schwerkraft, dunkle Materie und dunkle Energie nicht berücksichtigt. Es wird möglicherweise nicht ein ganzer Wagen unbekannter Partikel berücksichtigt. Es können sogar andere Arten von Higgs-Partikeln existieren. Dementsprechend wissen wir nichts mit Zuversicht. In unserem Universum kann es nur ein Vakuum geben oder drei, hundert oder viel mehr. Das Studium des Vakuums des Universums bleibt ein Bereich aktiver Forschung, der im Prinzip über Jahrhunderte andauern kann.