Как из квантового вакуума возникли галактики? [Veritasium]
Угу, вот [музыка]. Нас совсем не удивляет, что во Вселенной есть планеты, звезды и галактики. Всё это мы так или иначе видим. Однако эти объекты существуют только благодаря тому, что пустое пространство не пустое.
Но давайте мы с вами начнем сначала, с самого начала — с большого взрыва. Я всегда думал, что обозримая Вселенная родилась из точки и затем более-менее равномерно расширялась до нынешнего состояния. Но всё было несколько иначе. Расширение проходило в четыре этапа. Поначалу оно действительно было равномерным, но лишь крошечную долю секунды, после чего последовал взрывной рост, и Вселенная увеличилась примерно на 26 порядков хайм за очень краткий отрезок времени. Его называют эпохой инфляции.
Затем инфляция закончилась также резко, как и началась. Вселенная продолжила расширяться, но со все меньшим ускорением, то есть расширение стало замедляться. Это вполне логично, учитывая, что во Вселенной много массивных объектов, притягивающихся друг к другу. Но где-то опять 6 миллиардов лет назад расширение снова начало ускоряться. Предполагают, что причина в темной энергии, которая связана с пространством.
Прежде плотности расположения материи было достаточно для того, чтобы удерживать Вселенную и замедлять расширение. Но когда объем достиг критического значения, темная энергия стала хватать на то, чтобы расталкивать материю, что и продолжается по сей день. Вселенная расширяется, если только не заполнить пустоту.
Нам привычно думать, что всё вокруг нас состоит из частиц, атомов, электронов. Но лучшие физические теории объясняют мир через поля. Согласно им, частицы — это возбужденное состояние поля. Когда я слышу слово "поле", я сразу представляю поле. Но для физиков поле — это нечто, имеющее величину в пространстве. Все субатомные частицы принадлежат какому-то полю: электронному полю, полю верхних и нижних кварков, полю нитрина и так далее.
Когда поле возмущено в какой-то области, то есть когда там есть энергия, тогда мы наблюдаем частицы. Значит, полностью пустое пространство по сути будет иметь значение 0 для всех полей. Ну вот в чём дело: поле не может быть плоским, полностью нулевым. Квантовое поле по определению не может оставаться в полном покое по принципу неопределенности Гейзенберга. Частицу нельзя поместить в точку с нулевой энергией, точно так же нельзя приравнять к нулю всё квантовое поле.
Об этом важно помнить, потому что эти крошечные флуктуации влияют только на субатомные процессы. Но в эпоху инфляции Вселенная расширилась настолько быстро и настолько сильно, что эти мелкие флуктуации раздулись до размеров её наблюдаемой части. Наука считает, что без них распределение материи везде было бы полностью однородным и одинаковым, а сила гравитации одинаково действовала бы на все объекты во всех направлениях.
А значит, материя не смогла бы сколопсировать структуры, которые мы видим сегодня. Но благодаря флуктуациям плотность Вселенной немного колебалась: в более плотных областях гравитационное поле было сильнее, и туда стягивалась материя. Там скапливались гигантские газовые облака, из которых возникли галактики с первичными нам объектами — звездами, планетами и прочим.
Следы этих квантовых флуктуаций мы можем увидеть в реликтовом излучении, то есть излучении, дошедшем до нас от большого взрыва. Квантовые флуктуации в разных частях Вселенной — эти колебания, это перепады температуры. Только вдумайтесь, как поразительно: без этих колебаний в вакууме, казалось бы незначительных и незаметных событий, во Вселенной не было бы ничего, по крайней мере ничего интересного.
Переведено и озвучено студией vert dayder.