Filosofer har diskuterat naturen "ingenting", "ingenting", "ingenting", "tomhet" i tusentals år, men vad kan modern vetenskap säga om detta? Denna fråga kommer att besvaras av Martin Rees, astronom från Royal Society och professor Emeritus of Cosmology and Astrophysics vid Cambridge University. Han förklarar att när fysiker diskuterar "ingenting", menar de tomt utrymme (vakuum). Det kan verka ganska vanligt, men experiment visar att tomt utrymme inte riktigt är tomt - det innehåller en mystisk energi som kan berätta något om universumets öde.
En intervju med Martin Rees presenterad av tidningen The Conversation.
Är tomt utrymme detsamma som ingenting?
Tomt utrymme verkar ingenting för oss. I analogi kan vatten tyckas vara "ingenting" för fisken - det är vattnet som återstår när du tar bort allt annat som flyter i havet. På samma sätt visar sig tomt utrymme vara ganska svårt i praktiken.
Vi vet att universum är mycket tomt. Rymdens genomsnittliga täthet är ungefär en atom för varje tio kubikmeter - miljön är mycket mer sällsynt än något vakuum vi kan få på jorden. Men även med allt avlägsnat material har rymden en slags elasticitet som (som nyligen bekräftats) gör att gravitationsvågor - rymtarna i rymden själv - kan sprida sig genom det. Dessutom lärde vi oss att det i det tomma rummet finns en exotisk form av energi.
Vi lärde oss först om denna vakuumenergi under 1900-talet med tillkomsten av kvantmekanik, vilket förklarar atomer och partiklarnas beteende i minsta skala. Det följer av att tomt utrymme består av ett fält av fluktuationer av bakgrundsenergin - som ger liv till vågor och virtuella partiklar, som ständigt dyker upp och försvinner in i ingenstans. De kan till och med skapa liten styrka. Men hur är det med vitt utrymme i stor skala?
Det faktum att tomt utrymme skapar storskalig kraft upptäcktes för 20 år sedan. Astronomer har funnit att universumets expansion växer snabbare. Detta var en överraskning. Expansionen hade varit känd i över 50 år, men alla trodde att expansionen skulle sakta ner på grund av den gravitationella drag som galaxer och andra strukturer utövar på varandra. Så det kom som en stor överraskning för alla att retardationen på grund av tyngdkraft kompenserades av något som "pressade" expansionen. Det visade sig att i det tomma utrymmet finns energi som skapar en slags avstötning som uppväger tyngdkraftens attraktion på dessa stora skalor. Detta fenomen - mörk energi - är den otroligaste manifestationen av det faktum att tomt utrymme inte är skrynkligt eller tomt. Dessutom,detta faktum avgör vårt universums ytterligare öde.
Kampanjvideo:
Finns det en gräns för vad vi kan lära oss? På en skala av en biljon biljon gånger mindre än en atom kan kvantfluktuationer i rymdtid föda inte bara virtuella partiklar utan också virtuella svarta hål. Detta ligger inom gränserna som vi inte kan observera och förstå vilken, åtminstone hypotetisk, vi behöver för att kombinera teorin om tyngdkraften med kvantmekanik - och detta är oerhört svårt.
Det finns flera teorier för att förstå detta, varav den mest kända är strängteorin. Men ingen av dessa teorier är ännu relaterade till den verkliga världen - så de är fortfarande marklösa. Jag tror att nästan alla kommer att inse att rymden i sig har en komplex struktur i liten skala där gravitations- och kvanteffekter möts.
Vi vet att vårt universum har tre rumsliga dimensioner: du kan röra dig åt vänster och höger, framåt och bakåt, upp och ner. Tid är som den fjärde dimensionen. Det finns dock en stark misstank att om du zooma in på en liten punkt i rymden tills du känner att den lilla skalan, kommer du att upptäcka att det kommer att vara en tät komprimerad origami av fem extra dimensioner, som vi inte kan se. Som om du tittade på slangen på avstånd och trodde att det bara var en linje. När du går närmare skulle du se att en dimension i huvudsak är tre. Stringteori inkluderar komplex matematik - liksom konkurrerande teorier. Men det är exakt den teori som vi behöver om vi vill förstå på den djupaste nivån närmast tomhet som kan föreställas: tomt utrymme, uppenbarligen.
Hur kan vi förklara att hela vårt universum expanderar ur ingenting? Kan det verkligen ha börjat med en liten fluktuation i vakuumets energi?
Vissa mystiska övergångar eller fluktuationer kan plötsligt leda till att en del av rymden började expandera, som vissa teoretiker tror. De svängningar som ingår i kvantteorin kan skaka hela universum om det komprimeras till tillräckligt små skalor. Detta borde ha hänt på cirka 10 (till -44) sekunder - det är Planck-tid. På dessa skalor är tid och rum sammanflätade, så idén om en tickande klocka är inte vettig. Vi kan extrapolera vårt universum med en hög grad av säkerhet tillbaka till nanosekundet och med en hög grad av sannolikhet kommer vi att återkomma närmare Planck-tiden. Men efter det är våra gissningar inte längre giltiga - fysik i denna skala ersätts av någon annan, mer komplex teori.
Om det kan hända att en fluktuation i någon slumpmässig del av det tomma utrymmet gav livet till universum, varför kan inte samma sak hända med en annan del av det tomma utrymmet - och ge liv till parallella universum i en oändlig mångfald?
Tanken att vår Big Bang inte är den enda, och att det vi ser genom våra teleskop är en liten fysisk verklighet, är ganska populär bland fysiker. Och det finns många versioner av det cykliska universum. För bara 50 år sedan framkom starka bevis för att Big Bang till och med hände. Men sedan dess har det varit spekulationer om att han bara kunde vara en episod i ett cykliskt universum. Det finns också en tendens att förstå att fysisk verklighet är mycket mer än volymen av utrymme och tid som vi kan känna, även med de mest kraftfulla teleskop.
Därför har vi ingen aning om det fanns en Big Bang eller om det fanns många - det finns scenarier som förutsäger många Big Bangs och scenarier som förutsäger en. Jag tycker att vi borde studera dem alla.
Vad är universums slut?
Den enklaste prognosen för den avlägsna framtiden är att universum kommer att fortsätta växa snabbare och snabbare, bli kallare och mer tom. Partiklar i den kan sönderdelas och upplösas oändligt i tomhet. Vi kanske befinner oss i en enorm mängd utrymme, men det kommer att vara ännu mer tomt än utrymmet är nu. Detta är ett av scenarierna. Det finns andra som förutsäger en "vändning" av riktningen på mörk energi, från repulsion till attraktion, som ett resultat av vilket vi kommer att komprimeras till en tät punkt.
Det finns också Roger Penroses idé att universum kommer att fortsätta att expandera, bli mer och mer utspädd, men på något sätt - när det inte innehåller något annat än fotoner, ljuspartiklar - kommer objekten i det att rekalibreras och rymden på något sätt blir en generator för en ny Big Bang … Det här kommer att vara en mycket exotisk version av det gamla cykliska universum - men snälla ber mig inte förklara Penroses idéer.
Hur säker är du på att vetenskapen en dag kommer att avslöja mysteriet med vad detta "ingenting" är? Även om vi kunde bevisa att universum uppstod från en konstig fluktuation i ett vakuumfält, borde vi inte undra var detta vakuumfält kommer från?
Vetenskap försöker ge svar, men varje gång vi hittar dem uppstår nya frågor - vi kommer aldrig att ha en fullständig bild. När jag började göra forskning i slutet av 1960-talet var det tvivel om att det fanns en Big Bang alls. Nu råder det inte längre några tvivel och vi kan säga med en noggrannhet på cirka 2% att universum var detsamma under 13,8 miljarder år fram till det första nanosekundet. Det här är stora framsteg. Det är löjligt optimistiskt att tro att vi under de kommande 50 åren kommer att sortera ut de svåra frågorna om vad som händer i kvante- eller "inflationstiden".
Men naturligtvis uppstår en annan fråga: hur mycket vetenskap kommer att vara förståelig för den mänskliga hjärnan? Det kan hända att strängteoriens matematik i någon mening är en korrekt beskrivning av verkligheten, men vi kan aldrig förstå den tillräckligt för att testa den mot någon äkta observation. Då kan vi behöva vänta på att några eftermänskliga människor dyker upp för att få en mer fullständig förståelse.
Ilya Khel
