Posted by თანამედროვე ფიზიკა რთულ პერიოდს გადის. ერთ მხარეს დევს კვანტური თეორია, რომელიც აღწერს სამყაროს სტრუქტურას ატომურ დონეზე, მეორე მხარეს კი აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორია (ფზთ), რომლის მიხედვით, სივრცე და დრო გრავიტაციის ზეგავლენით შეიძლება გამრუდდეს. პრობლემა ისაა, რომ ცალ-ცალკე, ფზთ და კვანტური მექანიკა კარგად კი მუშაობს, მაგრამ ერთმანეთის პოსტულატებს ეწინააღმდეგება. ფიზიკოსები ბოლო 90 წლის განმავლობაში მუშაობდნენ ერთიანი, „ყველაფრის თეორიის“ შექმნაზე. ყოველი ახალი აღმოჩენით კი უფრო და უფრო მეტი კითხვა ჩნდებოდა. ექსპერიმენტები გვიჩვენებს, რომ მრუდე და გაფართოებად სამყაროში, ნაწილაკთა წყვილები ცარიელ სივრცეშიც ჩნდება. მოდელირების დროს მიღებული შედეგი კვლავ გვაბრუნებს კითხვასთან – როგორ შეიძლება რაღაც გაჩნდეს არაფრისგან? სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ერთი ნაბიჯი წინ და ორი ნაბიჯი უკან.
სიცარიელის ენერგიის შესახებ, მეოცე საუკუნეში შევიტყვეთ, კვანტური მექანიკის გამოჩენასთან ერთად, რომელიც ატომებისა და ნაწილაკების ქცევას ყველაზე უფრო მცირე მასშტაბებში აღგვიწერს. ის გვეუბნება, რომ ცარიელი სივრცე ფლუქტუაციებით სავსე ველია ფონური ენერგიისა, რომელშიც გამუდმებით ჩნდება და ისევ არაფერში ქრება ძალიან სუსტი, თუმცა დამზერადი ძალის წარმომქმნელი ვირტუალური ნაწილაკები. ვაკუუმში ლამის შეხების მანძილამდე თუ მივიტანთ ორ ბრტყელ ფირფიტას, მათ შორის დარჩენილ სივრცეში კვანტური ფლუქტუაციებით გაჩენილი ვირტუალური ნაწილაკები გარკვეული ძალით იმოქმედებენ ამ ფირფიტებზე (კაზიმირის დინამიური ეფექტის აღმოჩენის შესახებ).
პირველი ექსპერიმენტი, რომელშიც კოსმოსის მოდელირება კალიუმის ულტრაცივი ატომების გამოყენებით მოხდა, ვარაუდობს, რომ გაფართოებად, გამრუდებულ სამყაროში ნაწილაკები არაფრიდან ჩნდება. ექსპერიმენტის მსვლელობისას, ჰაიდელბერგის უნივერსიტეტის ფიზიკოსებმა, ვაკუუმში მოთავსებნული კალიუმის 20 000-ზე მეტი ატომი, ლაზერების საშუალებით გააცივეს. ექსტრემალურ ტემპერატურამდე გაცივების გამო, ატომები კვანტურ, სითხის მსგავსი ნივთიერების პატარა ღრუბლად გადაიქცა (ადამიანის თმის სისქის), რომელსაც ბოზე-აინშტაინის კონდენსატს უწოდებენ.
მიიღება ბოზე-გაზის (იდეალური გაზის კვანტური ანალოგი) გაცივებით ტემპრატურამდე, რომელიც თითქმის აბსოლუტური ნულის (−273.15 °C) ტოლია. ამის შედეგად, ატომების ნაწილი უდაბლეს ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადადის. ასეთი კონდენსატი ამჟღავნებს ისეთ კვანტურ თვისებებს, როგორიცაა ზედინება (ხახუნის გარეშე აღწევს მცირე ნაპრალებსა და კაპილარებში).
არსებითად, ახალი ექსპერიმენტი საშუალებას იძლევა შევცვალოთ ატომთა თვისებები, ვაიძულოთ მიჰყვნენ განტოლებას, რომელიც რეალურ სამყაროში აღწერს მათ თვისებებს, სინათლის სიჩქარისა და გრავიტაციის გავლენის ჩათვლით მასიურ ობიექტებთან. როგორც სამეცნიერო ნაშრომის ავტორები აღნიშნავენ, ეს არის პირველი ექსპერიმენტი, რომელშიც გაცივებული ატომები გამრუდებული და გაფართოებადი (აჩქარებით) სამყაროს სიმულაციისთვის გამოიყენეს.
გაყინული ატომების ღრუბლისკენ სინათლის სხივის მიმართვის მერე, ატომები ისე მოძრაობდნენ, როგორც რეალურ სამყაროში გაჩენილ ნაწილაკთა წყვილები. ახალი ექსპერიმენტი საშუალებას იძლევა გაერთიანდეს კვანტური ეფექტები და გრავიტაცია, რაც ძალიან უცნაურია, რადგან ფიზიკოსებს ბოლომდე არ ესმით, როგორ “თანაცხოვრობს” რეალურ სამყაროში ეს ორი ურთიერთსაწინააღმდეგო თეორია.
ჩვენი გაფართოებადი სამყარო, საკმაოდ კარგად ჯდება ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ჩარჩოებში. თუმცა, მისი აჩქარებული გაფართოება კვანტურ თეორიას უქმნის პრობლემებს – არსებობს მრავალი შესაძლო მდგომარეობა, რომელშიც ნაწილაკები შეიძლება იყოს. ჩნდება შეკითხვა – თუ სამყარო სულ უფრო მზარდი სიჩქარით ფართოვდება, იზრდება თუ არა მასში ნაწილაკთა რაოდენობა? და შესაძლებელია თუ არა არაფრისგან რაიმეს მიღება?
წარმოვიდგინოთ, რომ გვაქვს ცარიელი სივრცე, ფიზიკური არ არსებობის ზღვარი, რომელიც გრკვეული პირობებითა და მანიპულაციებით, აუცილებლად მიგვიყვანს რაიმეს გაჩენამდე. 2022 წელს, მარტივ ლაბორატორიულ მოწყობილობაში, გრაფენის უნიკალური თვისებების გამოყენებით, ძლიერი ელექტრული ველი იქნა შექმნილი, რომელიც არაფრისგან ნაწილაკი-ანტინაწილაკისგან შემდგარი წყვილების სპონტანურ გაჩენას უზრუნველჰყოფდა. გაგიკვირდებათ, მაგრამ ვარაუდი იმისა, რომ სიცარიელისგან რაღაცის შექმნაა შესაძლებელი, დაახლოებით 70 წლის წინ გაჩნდა, კვანტური თეორიის ერთ-ერთი შემქნელის, ჯულიან შვინგერის თავში, რაც დამტკიცდა კიდეც. სამყარო ნამდვილად ქმნის რაღაცას არაფრისგან.
ისევე, როგორც ჩვენ ვერ წავართმევთ სამყაროს ფიზიკის კანონებს, ვერ წავართმევთ კვანტურ ველებსაც, რომლებითაც ის არის განსმჭვალული. მეორეს მხრივ, ერთმანეთისგან რაც არ უნდა დიდ მაძნილზე დავაშოროთ მატერიალური სხეულები, არსებობს (ოთხიდან) ორი შორს მოქმედი ძალა, რომელთა ზეგავლენა მაინც დარჩება: ელექტრომაგნიტიზმი და გრავიტაცია (მოკლედ ფუნდამენტური ურთიერთქმედებების შესახებ).
შეგვიძლია გავაკეთოთ მაეკრანირებელი მოწყობილობები, რომლებიც გარანტიას იძლევა იმისა, რომ რაღაც გარკვეულ სივრცეში ელექტრომაგნიტური ველის დაძაბულობა ნულის ტოლი იქნება, მაგრამ იგივეს ვერ ვიზამთ გრავიტაციისთვის; რეალურად, სივრცე ვერ იქნება სრულიად გამოცარიელებული.
იმის დემონსტრირება, რომ ცარიელი სივრცე რეალურად ცარიელი სივრცე არ არის, შრომატევადი ამოცანაა, ამავე დროს, რეალური. ასე რომ, მაშინაც კი, თუ ჩვენ შევქმნით სრულყოფილ ვაკუუმს, ყველა ნაწილაკსა და ანტინაწილაკს მოკლებულს, ხოლო ელექტრული და მაგნიტური ველების დაძაბულობა ნულის ტოლია, ვაკუუმში მაინც იქნება რაღაც, რასაც ფიზიკოსებს შეუძლიათ უწოდონ, ვთქვათ, „მაქსიმალური არაფერი“.
ასე ფიქრობდა ჯულიან შვინგერი, 1951 წელს, აღწერდა რა (თეორიულად) როგორ შეიძლებოდა მატერიის მიღება არაფრისგან: ამისათვის საჭიროა ძლიერი ელექტრული ველი. და მიუხედავად იმისა, რომ მისი კოლეგები წინა საუკუნის 30-იან წლებში ვარაუდობდნენ იგივეს, მხოლოდ შვინგერმა შეძლო განესაზღვრა ასეთი ექსპრიმენტისათვის საჭირო პირობები, გამომდინარე იქედან, რომ სივრცეში ყოველთვის არის კვანტური ფლუქტუაციები.
ვაკუუმის ფლუქტუაციები, ალბათ, კვანტური ფიზიკის ყველაზე უჩვეულო ეფექტია – ვაკუუმი არც თუ ისეთი ცარიელია, როგორიც შეიძლება გვეგონოს (ვაკუუმი: ორიგინალური და ყალბი). სინამდვილეში, ეს ”ცარიელი სივრცე” ვირტუალური ნაწილაკების გამუდმებული გაჩენა-განადგურებით დუღს და გადმოდის, სოწრედ ამ მოვლენას უწოდეს ”ვაკუუმის ფლუქტუაცია”. ტერმინი ფლუქტუაცია საშუალო მაჩვენებლიდან შემთხვევით გადახრებს აღნიშნავს.
მიკროსამყაროს კიდევ ერთი უცნაურობა – კვანტური გადახლართულობა, მოვლენა, რომლის დროსაც, ერთამნეთისაგან დაშორებული ნაწილაკების კვანტური მდგომარეობების (მაგალითად, ელექტრონის სპინი ან ფოტონის პოლარიზაცია) აღწერა, ურთიერთდამოკიდებულების გარეშე შეუძლებელია. ერთი ნაწილაკის მდგომარეობის აღწერის პროცედურა, მეორეს მდგომარეობის მყისიერ ცვლილებას იწვევს.
ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპის მიხედვით, თუ კვანტური ველები ყველგანაა, მაშინ სივრცის მოცემულ არესა და დროის შუალედში, განუსაზღვრელი რაოდენობის ენერგია იქნება. რაც უფრო მცირე იქნება ჩვენს მიერ აღებული დროის მონაკვეთი, მით უფრო მეტი იქნება განუსაზღვრელობა ენერგიის რაოდენობაში.
განუსზღვრელობის პრინციპიდან გამომდინარე, კვანტური მიკროსამყაროს ობიექტთა აღწერას განსხვავებული ხასიათი აქვს, ვიდრე ჩვენთვის ჩვეულ ნიუტონის მაკროსამყაროს აღწერას. სივრცული კოორდინატებისა და სიჩქარის ნაცვლად, რომლებითაც ჩვენ მექანიკური მოძრაობების აღწერას მივეჩვიეთ, მაგალითად, ბურთის მოძრაობა ბილიარდის მაგიდაზე, კვანტურ მექანიკაში ობიექტები ე.წ. ტალღური ფუნქციით აღიწერება. ”ტალღის” ქიმი, გაზომვების დროს, სივრცეში ნაწილაკის მდებარეობის მაქსიმალურ ალბათობას შეესაბამება. ასეთი ტალღის მოძრაობა შროდინგერის განტოლებებით აღიწერება, რომელიც გვეუბნება, თუ როგორ იცვლება დროთა განმავლობაში კვანტური სისტემის მდგომარეობა.
ფაქტიურად, ერთადერთი ადგილი, სადაც ნაწილაკები სიცარიელიდან გამოსხივდება, არის შავი ხვრელების და ნეიტრონული ვარსკვლავების მიმდებარე სივრცეები. მაგრამ, უზარმაზარი კოსმოსური მანძილები, რომლებიც შედარებით ახლოს მდებარე ასეთ ობიექტებს გვაშორებს, ყველაფერს ვარაუდებად და თეორიებად ტოვებს.
ჰოკინგის გამოსხივება, შავი ხვრელის აორთქლებას კვანტურ ფლუქტუაციებს უკავშირებს – ვირტუალურ ნაწილაკთა წარმოქმნილი წყვილიდან ერთ-ერთი, შავ ხვრელს შორდება, მეორე, უარყოფითი ენერგიით, ხვრელში ხვდება.
ელექტრონებისა და პოზიტრონების არაფრიდან გაჩენით, სამყარო შეუძლებლის დემონსტრირებას ახდენს. საბედნიეროდ, არსებობს ჩვენი უცნაური სამყაროს კვლევის სხვადასხვა მეთოდები, მათემატიკა, ექსპერიმენტები გრაფენითა და ლაზერების გამოყენებით. და მიუხედავად იმისა, რომ ჩვენ ჯერ კიდევ შორს ვართ ყველაფრის ერთიანი თეორიის შექმნისგან, დღეს არც ისე ცოტა ვიცით იმ სამყაროს შესახებ, რომელშიც ვცხოვრობთ. ასე არ არის?