Konsep penting yang memainkan peran besar dalam pemahaman modern tentang Semesta adalah vakuum, atau vacua dalam bahasa Latin, bentuk jamak dari kata "kekosongan".
Anda mungkin tahu bahwa fisikawan menyebut ruang hampa sebagai ruang kosong di mana tidak ada apa pun - udara, atau bahkan partikel elementer terbang. Tetapi kemudian ada sesuatu yang aneh dalam gagasan kekosongan dalam bentuk jamak. Rupanya sesuatu yang lain telah ditambahkan ke konsep ini! Itulah yang akan saya coba jelaskan.
Teori dapat menawarkan deskripsi ruang kosong
Pertama-tama, izinkan saya mengingatkan Anda tentang apa itu teori dalam fisika. Ini bukan alasan atau ide; itu adalah sesuatu yang lebih spesifik. Sebuah teori adalah seperangkat persamaan dan konsep terkait yang memungkinkan para ilmuwan untuk membuat prediksi tentang perilaku benda-benda fisik. Beberapa teori harus menggambarkan dunia nyata; kebanyakan teori menggambarkan dunia imajiner; tetapi setiap teori yang masuk akal membuat prediksi yang konsisten dan menjelaskan aspek-aspek dari dunia yang mungkin.
Sebagai contoh, teori gravitasi Newton, di mana gaya gravitasi antara dua benda yang terletak pada jarak r, sebanding dengan 1 / r
2 , secara kasar menggambarkan apa yang terjadi di dunia nyata. Mungkin ada teori gravitasi lain, di mana gaya sebanding dengan 1 / r
3 . Ini masih akan menjadi teori fisik, karena itu membuat prediksi yang jelas tentang bagaimana benda-benda harus saling tertarik berkat gravitasi, tetapi itu akan menggambarkan dunia imajiner, bukan dunia imajiner kita, nyata. Ini adalah teori fisik yang sangat normal, tetapi tidak menggambarkan sifat dunia kita.
Beberapa teori (tidak semua, tentu saja) harus menggambarkan tidak hanya objek, tetapi juga tidak adanya objek dalam bentuk ruang kosong - juga dikenal sebagai ruang hampa. Di zaman Newton, ruang kosong itu sederhana. Hanya saja, ruang kosong saja. Namun selama bertahun-tahun, ruang kosong menjadi semakin kompleks. Pada abad XIX diketahui bahwa ada bidang di ruang kosong - dan saat ini kami menganggap bidang sebagai aspek dasar dari Semesta, oleh karena itu bidang itu sangat penting!
Bidang
Bidang adalah entitas yang dapat membuat perbedaan di mana saja di ruang pada waktu tertentu. Dalam kehidupan sehari-hari, kita menemukan medan dalam bentuk suhu udara - kapan saja di tempat mana pun Anda dapat mengukur suhu, dan jika Anda mengetahui suhu di seluruh ruang, Anda tahu medan suhu pada saat itu. Tetapi contoh ini tidak cocok untuk kita, karena suhu udara masuk akal di hadapan udara, dan di ruang kosong medan suhu tidak ada artinya.
Contoh yang lebih baik adalah medan listrik (bertanggung jawab untuk petir, adhesi statis, dan arus listrik di kabel). Medan listrik adalah medan elementer alam yang ada bahkan di ruang kosong. Hal yang sama berlaku untuk semua bidang dasar alam, termasuk bidang-W, bidang elektron, bidang muon, dll., Termasuk bidang Higgs yang sekarang terkenal.
Vakum vs Vakum
Jadi ketika kita berbicara tentang ruang kosong, yang kita maksud adalah ruang yang paling kosong. Dalam arti, itu kosong, karena tidak ada partikel di dalamnya, bahkan partikel cahaya (foton). Dan partikel berumur panjang dan hanya berperilaku gangguan medan. Tetapi dalam arti, itu tidak kosong, karena medan listrik, medan-W, medan Higgs, sepanjang waktu di sana! Anda tidak dapat mendefinisikan ruang hampa dengan frasa sederhana "ruang kosong", karena kita tidak hanya perlu mengatakan bahwa tidak ada partikel di dalamnya, kita juga perlu mengatakan apa sebenarnya yang dilakukan ladang di ruang kosong ini. Artinya, kita perlu menentukan konfigurasi bidang dalam ruang hampa ini.
Dalam ruang hampa tertentu, bidang dapat disesuaikan sedemikian rupa sehingga bagi kebanyakan dari mereka nilai rata-rata akan nol. Rata-rata, karena fluktuasi kuantum menjamin sedikit jitter nilai. Tetapi beberapa dari mereka mungkin tidak rata-rata nol. Ini berlaku untuk kekosongan kami - semua bidang rata-rata nol, kecuali untuk bidang Higgs, yang nilai rata-ratanya adalah nol dan konstan di seluruh bagian Semesta yang terlihat (dengan pengecualian jitter kuantum). Ini sangat penting! Dunia yang kita tahu tidak bisa diketahui jika nilai rata-rata bidang Higgs nol - kita tidak akan ada di dalamnya sama sekali.
Mungkin ada beberapa vakuum berbeda di alam semesta. Yaitu, ruang dapat kosong seperti mungkin dalam beberapa cara - ada lebih dari satu cara untuk menyesuaikan bidang alam semesta bahkan tanpa adanya partikel. Demikian pula, sebuah teori yang menggambarkan alam semesta dapat memprediksi keberadaan lebih dari satu jenis ruang hampa. Contoh dari teori tersebut adalah Model Standar, persamaan yang digunakan untuk menggambarkan dan memprediksi perilaku partikel elementer yang diketahui dan interaksi alam (tidak termasuk elemen yang lebih misterius: gravitasi, materi gelap dan energi gelap). Sekarang, setelah kita mengukur massa partikel Higgs, kita tahu bahwa Model Standar memprediksi dua vakuum yang berbeda - di salah satunya medan Higgs memiliki nilai yang kita amati, dan di sisi lain itu jauh lebih besar. Secara umum, teori memprediksi kemungkinan keberadaan dua mode perilaku ruang kosong yang sangat berbeda.
Fig. 1Tapi mari kita perjelas sesuatu. Sebuah teori yang disebut Model Standar memprediksi ini untuk alam semesta imajiner yang dijelaskan oleh Model Standar. Kita belum tahu dari eksperimen apakah Model Standar menggambarkan alam semesta yang sebenarnya - yaitu, apakah alam semesta imajiner Model Standar dan Alam Semesta tempat kita hidup cukup mirip sehingga prediksi Model Standar (teori) bertepatan dengan semua hasil dari semua eksperimen (data). Oleh karena itu, kita tidak tahu apakah ada dua vakum yang diprediksi oleh Model Standar di dunia nyata.
Vakumnya seperti bagian bawah mangkuk
Saya akan menjelaskan salah satu sifat utama dari ruang hampa udara. Properti yang sama memungkinkan bola untuk beristirahat di bagian bawah mangkuk.
Fig. 2Bagian bawah mangkuk stabil untuk bola. Jika Anda memindahkan bola dengan jarak pendek ke segala arah, itu akan memutar kembali, menjadi sedikit lebih mahal, dan kemudian gaya gesekan akan menghentikannya di bagian paling bawah. Ketika Anda memindahkan bola sedikit dari bawah, energinya (interaksi dengan gravitasi Bumi) meningkat, dan cenderung mengurangi energi ini melalui kembali ke titik awal, di mana energi gravitasi adalah yang terkecil. Posisi stabil adalah posisi di mana setiap gerakan bola meningkatkan energinya, atau setidaknya tidak menguranginya. Dengan demikian, jika Anda dapat menggerakkan bola untuk mengurangi energinya, bola akan berguling ke arah itu dan tidak akan kembali - dalam hal ini, arus awal tidak akan menjadi posisi yang stabil.
Menurut definisi, ruang hampa adalah konfigurasi yang stabil dari bidang-bidang alam semesta dan kosmos itu sendiri. di mana energi alam semesta minimal, setiap perubahan kecil di ladang mengarah ke peningkatan (atau setidaknya tidak mengarah pada penurunan) energi alam semesta, dan ladang akan selalu cenderung kembali ke nilai-nilai mereka dalam ruang hampa.
Fig. 3: mangkuk berbeda dengan posisi stabil berbeda untuk bolaAyo kembali ke pesta dansa. Anda dapat membayangkan sebuah situasi di mana saya memiliki dua mangkuk yang identik, masing-masing memiliki posisi stabil untuk bola. Atau Anda dapat membayangkan semangkuk bentuk aneh dengan dua posisi stabil berbeda di ketinggian berbeda. Atau Anda dapat membayangkan mangkuk yang jauh lebih kompleks dengan banyak posisi stabil. Anda dapat membayangkan bagaimana kami menempatkan bola di salah satu posisi berbeda yang ditandai dalam gambar. 3 panah, dan itu tetap ada di sana tanpa batas, karena setiap perubahan kecil pada posisi bola tidak akan cukup untuk memindahkannya dari satu posisi stabil ke yang lain (efek tunneling kuantum memperumit situasi ini, tetapi kita akan membicarakannya lain kali).
Demikian pula, Semesta dapat memiliki - atau teori alam semesta dapat memprediksi keberadaan - lebih dari satu konfigurasi bidang yang stabil, yaitu lebih dari satu kekosongan. Tidak ada yang membatasi jumlah vakuum yang mungkin, meskipun teori-teori sederhana biasanya memiliki cukup sedikit. Hanya teori dengan banyak jenis bidang yang biasanya memiliki banyak vakum. Ternyata pertanyaannya, meskipun tidak secara langsung, terkait dengan berapa banyak jenis bidang di Alam Semesta kita? Hanya diketahui oleh kita? Atau ribuan dari mereka?
Apakah alam semesta kita memiliki banyak vakum?
Bagaimana Model Standar memprediksi bahwa ada dua vakum di alam semesta kita? Pertama, tunjukkan saja (jika Anda tahu cara menghitung) bahwa setiap bidang dasar dalam Model Standar, dengan pengecualian bidang Higgs, harus memiliki nilai rata-rata nol dalam ruang hampa apa pun. Tapi bidang Higgs tidak seperti itu; ia dapat memiliki dan memiliki nilai rata-rata nol dalam ruang hampa yang kita ketahui, dan dapat memilikinya dalam ruang hampa udara lain yang mungkin. Untuk mengetahui apa nilai stabil untuk bidang Higgs, kami menghitung energi ruang kosong sebagai fungsi dari nilai rata-rata bidang Higgs. Menariknya, fisikawan saat ini dapat membuat perhitungan yang sangat rinci, karena mereka sudah:
• secara akurat mengukur massa quark atas,
• menemukan partikel Higgs (yang, menurut Model Standar, hanya ada satu spesies), dan
• mengukur massa partikel Higgs.
Akibatnya, mereka sampai pada kesimpulan yang mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Seperti mangkuk ganda di tengah ara. 3, yang memiliki dua posisi stabil, di mana setiap gerakan bola meningkatkan energinya, energi medan Higgs. Model Standar memprediksi dua minimum. Ini berarti bahwa ada dua vakuum yang ditunjukkan oleh panah dalam gambar. 4, dengan sifat-sifat yang ditunjukkan dalam gambar. 1: satu ruang hampa diketahui oleh kita, dengan nilai yang agak kecil dari bidang Higgs, yang lain, ruang hampa eksotis, dengan nilai besar.
Lokasi dan kedalaman yang tepat (nilai bidang Higgs dan energi ruang kosong) dari ruang hampa eksotis adalah pertanyaan terbuka. Mereka sangat bergantung pada massa quark atas dan partikel Higgs, pemahaman kita tentang yang mungkin masih mengalami perubahan kecil tapi kritis berdasarkan data Large Hadron Collider. Fig. Gambar 4 menunjukkan perkiraan terbaik saat ini, di mana kekosongan kami memiliki lebih banyak energi daripada yang eksotis.
Fig. 4Tetapi Anda harus selalu ingat bahwa Model Standar mungkin tidak menggambarkan Universe kita dengan cukup baik sehingga semua kesimpulan ini benar. Kita sudah tahu bahwa Model Standar tidak memperhitungkan gravitasi, materi gelap, dan energi gelap; mungkin tidak memperhitungkan seluruh gerobak partikel yang tidak diketahui. Jenis partikel Higgs lain bahkan mungkin ada. Karenanya, kami tidak tahu apa-apa dengan percaya diri. Di alam semesta kita hanya ada satu kekosongan, atau tiga, seratus, atau lebih. Studi tentang kekosongan alam semesta tetap merupakan area penelitian aktif, yang pada prinsipnya dapat berlanjut selama berabad-abad.