Hvordan intet kunne ødelægge universet

Begrebet intet, når den først udløste en 1000 år lang krig, i dag kan det forklare mørk energi og intethed endda har potentialet til at ødelægge universet, forklarer fysiker Antonio Padilla

Følgende er et uddrag fra vores tabte i rum-tid-nyhedsbrev. Hver måned overleverer vi tastaturet til en fysiker eller matematiker for at fortælle dig om fascinerende ideer fra deres hjørne af universet. Du kan tilmelde dig Lost in Space-Time her.

De fleste af os klager over intet fra tid til anden. Som når du åbner køleskabet, kan du se de tomme hylder og sukke: “Der er intet at spise”-selvom der er en halvspist yoghurt og noget mistænkeligt udseende salat.

Selvfølgelig er det en temmelig subjektiv form for intet. Der er to mere præcise definitioner, som vi måske overvejer. For det første er der intet med en lille bogstav n. Dette er hvad du får, når du starter med noget og tager alt væk: yoghurt, salat, luftmolekylerne i køleskabet og mere derudover. Men der er heller ikke noget, med en hovedstad N. Dette er langt mere absolut. Det er ikke det, du får, når du tømmer køleskabet. Et sandt intet kan aldrig have været noget, og det kan aldrig blive noget. Det bare Er det ikke. Hvis en sådan intet kan eksistere – og det er svært at forestille sig, hvordan – så skal alt, inklusive os, være afbrudt fra det.

Som fysikere er vi mere interesseret i ting, vi kan oprette forbindelse til, i den mindre form af intet med en lille bogstav n. Dette vakuum udløste engang en krig, der varede over 1000 år. Konflikten begyndte med gamle græske filosofer i det 5. århundrede f.Kr., specifikt Leucippus og hans elev, Democritus. De foreslog, at sagen bestod af små små udelelige stykker eller “atomer”, der boltrede sig rundt i et uendeligt tomrum – i intet.

Det var en filosofi, som Aristoteles senere blev fast besluttet på at ødelægge. Han mente, at sagen var en kontinuerlig væske, ekspanderende og kontraherende, for evigt skift mellem de fire grundlæggende elementer i jord, luft, ild og vand. Han byggede en model af universet opdelt i koncentriske sfærer med jordbaserede lag, der består af de fire elementer og himmellag lavet af et femte element kendt som Aether. Hver af de himmelske kugler blev flyttet af sin større nabo: Lunar -sfæren flyttet af Merkur, Merkur af Venus og så videre, indtil du nåede det sidste lag af stjerner, fastgjort i kanten af ​​den materielle verden. Ifølge Aristoteles blev dette sidste lag flyttet af noget ud over den materielle verden af ​​den “primære mover” af Gud.

Ved at forbinde sin model med Guds eksistens sejrede Aristoteles over atomisterne i mange hjerter – især middelalderlige kristne filosoffer som Thomas Aquinas. Atomistfilosofien blev en kætteri. At omfavne tomrummet var at omfavne Guds fravær, at omfavne det onde. Østfilosoffer syntes meget anderledes. I mange østlige religioner er tomrummet en kilde til oplysning. Buddha, for eksempel, siges at have indset Śūnyaten, Tomhedens tomhed, der frigør sig fra al lidelse og elendighed. Med intet i hjertet af deres spiritualitet var østlige matematikere ikke bange for at udvikle radikale nye ideer som nul, den numeriske repræsentation af intet. Disse ideer blev voldsomt afvist i Vesten. I 1299 gik florentinske embedsmænd så langt som at forbyde brugen af ​​hindu-arabiske tal, især nul, for at forhindre svig. Når alt kommer til alt kan tilføjelse af et par nuller til dine konti få dem til at se meget sundere ud.

Mens Thomas Aquinas havde forkæmpet Aristoteles ideer i den tidlige del af det 13. århundrede, på tidspunktet for det florentinske dekret, var det gamle græske greb om vestlig filosofi allerede under angreb. I 1277 spurgte biskop Étienne Tempier, om det var muligt for Gud at bevæge himlen, som svaret var åbenlyst: Gud kunne gøre hvad som helst. Og alligevel havde Aristoteles hævdet, at det ikke var muligt, da at flytte himlen ville efterlade et vakuum, og det var forbudt. For Tempier var det Aristoteles og hans tilhængere, der var skyldige i kætteri. Gud kunne bestemt skabe et vakuum eller et tomrum, og det blev derfor velsignet. Hvad angår nul, modtog den også en benådning i den vestlige verden, ikke fra biskopperne i den katolske kirke, men fra regnskabsfolk. De opfandt bogføring af dobbeltindtastning og nul blev et vigtigt værktøj til at afbalancere bøgerne.

I det 17. århundrede var det ikke kun Gud, der kunne skabe et vakuum. Fysikere Evangelista Torricelli og Blaise Pascal havde også styret det ved hjælp af et kviksølvbarometer. Men havde de virkelig skabt noget?

Med fremkomsten af ​​kvantemekanik i den tidlige del af det 20. århundrede lærte vi, at svaret var et rungende ”nej”. I en kvanteverden kan du ikke sige med præcis nøjagtighed, hvor en partikel er, eller hvor hurtigt den bevæger sig. Der er altid en kvanteviggle.

Det samme gælder vakuumet. Du kan forestille dig det som et stille, tomt sted, men det indeholder stadig den kvantvigende. I dette tilfælde er det vrigningen af ​​virtuelle partikler, der dukker ind og ud af eksistensen. De skubber og trækker på vakuumet og giver det nok energi til at bøje formen af ​​rum og tid. Mange astronomer mener, at såkaldt mørk energi-et koncept, der bruges til at forklare, hvorfor universet udvides med en stadigt stigende hastighed, som målinger antyder-virkelig er energien fra tomt rum. Denne energi fra tomrummet kunne køre den accelererede kosmiske ekspansion, vokse hurtigere og hurtigere, når vi går mod et universelt vakuum.

Så hvis intet ikke er vakuumet, hvor er så intet? Kan det endda eksistere i vores fysiske verden? I 1982 fandt fysiker og Fields -medalje Ed Witten svaret. Han opdagede en skræmmende ny form for intet, langt mere aggressiv end et tomrum eller et vakuum. Det afslørede sig selv som en ustabilitet af rumtid, hvor en boble af bogstaveligt talt intet kan vises og begynde at fortære universet indefra og ud. Dette er ikke kun tomt rum. Det er fraværet af selve rummet. Hvis en boble af intet skulle dukke op i dit hus, ville den ikke efterlade et gapende hul – det ville også slette hullet. Det ville tage alt: dit tv, din sofa og endda det rum, de engang besatte. Dette spøgelse af ødelæggelse ville hurtigt sprede sig, en løbsk ustabilitet, hvor rummet i sig selv bare giver op og forsvinder.

Med udsigten til rum og tid, der er fortæret af intet, er det ingen overraskelse, at fysikere forsøgte at bedre forstå, hvad Witten havde fundet. I 2011 førte det to akademikere på Princeton University, Adam Brown og Alex Dahlen, til at opdage en uventet ny måde at tænke på intet på: som et vakuum med uendelig negativ krumning. Vi har allerede set, hvordan et vakuum kan opbevare energi, der kan bøje formen af ​​rum og tid. Når energien er positiv, får du positiv krumning og et univers, der udvides til en accelereret hastighed. Når energien er negativ, får du negativ krumning og et univers, der oprindeligt udvides, før du kollapser tilbage på sig selv og forsvinder ind i en apokalyptisk knas. Brown og Dahlen forestillede sig bobler fyldt med et vakuum af negativ energi, der bøjer rumtid med et negativt, men begrænset beløb. Da de øgede krumningen inde i boblen til større og større negative værdier, bemærkede de, at fysikken kom tættere og tættere på det, Witten havde set. De konkluderede, at Witten’s boble af intet kunne forstås som en boble af vakuumrum-tid buet til negativ uendelighed.

Brown og Dahlens perspektiv er sikkerhedskopieret af det “holografiske princip”. Dette er ideen om, at vores univers kan være som en projektion, en tredimensionel virkelighed kodet på en lavere dimensionel grænse. Jeg kan godt lide at tænke på dette som to forskellige sprog: På den ene side har jeg det tredimensionelle sprog i hovedparten; på den anden side sproget for den lavere dimensionelle grænse. Begge sprog kan beskrive de samme fysiske fænomener, omend på en meget anden måde. Som det sker, er vi mere vant til at tale sproget i hovedparten, men det er bare et valg. Vi kunne vælge at tale grænsens sprog, og det ville ikke være mere underligt end min spanske far, der valgte at tale spansk fra sit hjem i Liverpool.

Men hvad har dette at gøre med bobler af uendelig negativ krumning? Det holografiske princip forstås bedst for rumtider, der er negativt buede. Det er i dette tilfælde, at vi har en ordentlig ordbog, der vedrører bulk- og grænsesprogene. Men her kommer intet. Det viser sig, at antallet af ord på grænsesproget afhænger af krumningen af ​​hovedparten. Da den krumning falder mod negativ uendelighed, går antallet af ord til nul! Grænssproget forsvinder helt, og du har intet. Brown og Dahlen havde ret.

Brug af et vakuum af uendelig negativ krumning kan åbne nye måder at tænke på, hvordan universet blev født fra intet, eller hvordan det kunne ende som intet. Dette er ikke kun noget, vi måske kan lide at tænke på – det er noget, vi er nødt til at tænke på. Du kan se, ligesom Witten viste, at intet er muligt, viste et hold fra Harvard, at det er uundgåeligt.

Fysikere Jake McNamara og Cumrun Vafa har hævdet, at der ikke er nogen øer i landskabet med kvantetyngdekraft. Dette er landskabet, der indeholder alle teorier om kvantetyngdekraft, der giver mening. Nogle af dem er vilde og vidunderlige og har intet til fælles med det univers, vi ser omkring os, men i det mindste er de logisk konsistente. Antag, at du når ud i landskabet og tag din yndlingsteori om kvantetyngdekraft, og jeg tager min. Derefter siger McNamara og Vafa, at der skal være en måde at dynamisk overgang mellem de to. Disse overgange kan undertiden forekomme ved at passere gennem en væg, en portal, der adskiller din verden af ​​kvantetyngdekraft fra min.

Men der er mere eller måske mindre. Ud over alle de smarte teorier om kvantetyngdekraft er der den enkleste kvantetyngdekraftsteori for dem alle: teorien, der ikke beskriver noget. Da denne trivielle teori er en del af McNamara og Vafas landskab, skal der altid være en måde at komme til og fra intet. Intet er ikke en ø, der er afskåret fra resten af ​​fysik. Det er lige der og venter på, at vi finder det.

Frygtet af nogle og tilbedt af andre, ved vi nu, at intet er uundgåeligt. Det har hjemsøgt historie i årtusinder, forurenet din bankkonto, og en dag spiser det universet til morgenmad.

Skal vi være bekymrede?

Eller er det bare intet?