Не помню кто задал мне этот вопрос в комментариях, я решил ответить на него развернуто в этой статье. Получилось довольно длинно, но интересно. И если вы прочитаете все до конца, я надеюсь вы будете лучше разбираться в том, что такое пространство. Итак, поехали.
Когда мы визуализируем «пустое пространство», мы представляем его как некую «пустоту», черноту космоса, вакуум, в котором ничего нет – ни молекул, ни атомов, ни частиц… ничего. И оно существует везде – между звездами, между галактиками, между атомами… везде! Оно наполняет всю Вселенную, от мала до велика. В буквальном смысле.
Вы можете это представить? Я могу. Легко.
Мы также можем представить материю – куски вещества, занимающие часть этого пустого пространства. В школе нам показывали эскизы материи, состоящей из крошечных шариков, называемых атомами. Там же мы узнали, что в природе таких атомов встречается 98 разновидностей.
Мы также знаем, что атомы состоят из еще более мелких частей – протонов, нейтронов и электронов. Эскизы, которые до сих пор используются для их визуализации обычно выглядят так:
Но наука не стоит на месте и вскоре было обнаружено, что протоны и нейтроны тоже состоят из частиц – «кварков». Когда их зарисовали они тоже стали выглядеть как маленькие шарики, соединенные силовыми линиями, вот так:
Но со временем понятие материи усложнилось. Материя теперь воспринимается не как маленькие сферические частицы, а как размытое, туманное облако довольно нематериальной материи, обладающей очень странными квантовыми» эффектами. Примерно вот так:
И электроны теперь не маленькие точки, летающие вокруг массивного ядра, а скорее густое туманное облако, обволакивающее это самое ядро. Они словно танцуют и пульсируют в этом облаке, но никак не вращаются. Представить, что такой атом может занимать определенное место в пространстве, тоже не проблема.
И все, казалось бы, отлично, но физикам и этого показалось мало и они стали описывать кварки и лептоны как «квантовые возбуждения различных вакуумных полей», взаимодействующие с бозонами Хиггса в поле Хиггса с образованием массы, которая, в свою очередь, может состоять (или не состоять) из крошечных 9-мерных «космических струн», «которые могут находиться в мгновенной квантовой запутанной суперпозиции со своими античастицами где-то еще во Вселенной!!!
Супер! Но это еще не все!
Еше есть ЭНЕРГИЯ. В отличие от материи, которая может быть относительно неподвижна в пустом пространстве, энергия в виде фотонов постоянно куда-то несется. Фотоны НИКОГДА не стоят на месте и ВСЕГДА движутся в пространстве с одной и той же скоростью… со скоростью света. Вот один из способов взглянуть на фотон света:
Дальше – больше
Оказывается, фотоны движутся волнообразно… Когда фотон движется, он движется не просто по прямой, а волнообразно вверх/вниз/в стороны, подобно лыжнику, спускающемуся по склону горы.
И мы можем представить, как фотоны проносятся через пустое пространство из точки А в точку Б, и хотя это выглядит несколько странно, мы все же можем это представить.
Но как оказывается, это лишь один взгляд на то, что такое фотон. Многие физики теперь описывают фотоны не как крошечные «шарики», летящие в пространстве по своим делам, а как возбужденные «волновые пики в электромагнитном поле», пронизывающем всю Вселенную. С этой точки зрения фотон не является дискретным. Его можно представить, скажем как… м-м-м… Физики пытаются описать, как может выглядеть такой фотон, но в итоге просто цитируют его математические и квантовые свойства.
Но как бы эти фотоны ни выглядели, их очень много и их приходится учитывать, когда мы говорим о космосе. В любой точке пространства присутствует огромное количество фотонов (или пиков волнового поля), несущихся через это пространство каждую секунду во всех направлениях. С этой точки зрения пустое пространство уже не пустое, а крайне оживленное место, с бесчисленными энергетическими фотонами, несущимися через него с огромной скоростью.
И это еще не все!!!
Фундаментальные силы
Дальше идут в ход Гравитация, Электромагнетизм, Сильные и Слабые ядерные взаимодействия. Что такое гравитация, магнетизм или сильное взаимодействие с точки зрения пустого пространства? Мы знаем, что гравитацию описывают как силу, способную проходить через пустое пространство. Физики называют это «волнами». Сегодня мы знаем о «гравитационных волнах», поскольку их реально обнаружили специальными приборами.
Так продолжалось до тех пор, пока ученые не решили назвать волны «частицами». В некоторых теориях гравитация, магнетизм и ядерные силы представляют собой процессы, в ходе которых крошечные «частицы», называемые «гравитонами», «фотонами» или «глюонами», испускаются кварками и лептонами и путешествуют со скоростью света в пространстве, пока не ударяются о другой кварк или лептон. Когда это происходит, 2-я частица «чувствует» исходную силовую частицу и каким-то образом находит исходный кварк или лептон и притягивается к ней. Очевидно, что 2-я частица также испускает свои собственные частицы силы, которые чувствует 1 частица с таким же эффектом.
Если это правда, то пустое пространство заполнено снующими туда-сюда гравитонами и глюонами массово путешествующими между всеми частицами массы во Вселенной. А когда вы принимаете во внимание еще и общую теорию относительности, описывающую гравитацию как искривление пространства-времени ваш мозг окончательно отказывается работать. Неудивительно, что никто толком не может ЭТО понять и тем более объяснить!
«Волны»
Но давайте проигнорируем релятивистское искривление пространства-времени и вернемся к рассмотрению четырех сил природы в виде «волновых функций». Мы легко можем представить, что такое волны – волны на воде, звуковые волны и т. д.
Что ж, если гравитацию, магнетизм и сильное взаимодействие можно рассматривать как своего рода волны, и если они проходят через пустое пространство, то как они это делают? Как может «волна» пройти сквозь НИЧТО? Если ничего нет, то как волны могут двигаться вверх, вниз или из стороны в сторону?
Только если «пустое пространство» на самом деле не пустое и состоит из чего-то такого, что может двигаться вверх, вниз или из стороны в сторону, когда мимо проходит гравитационная волна или магнитный импульс, или сильное ядерное взаимодействие.
Квантовая пена
Никто даже подумать не мог, что космос может быть таким, поскольку это сильно усложнило бы ситуацию, но в последнее время именно такая точка зрения получила развитие. Физики теперь приходят к убеждению, что пустое пространство вовсе не пустое. Скорее, это пустота, наполненная своего рода постоянно меняющейся статикой… море чего-то такого, что описывается как «космическая пена», «виртуальные частицы», «энергия вакуума», «квантовые струны» и т. д.
Рассмотрим изображение ниже. Это видение того, как может выглядеть пустое пространство… своего рода нервная статика, которая постоянно приходит и уходит. Физики называют ее «космической или квантовой пеной».
Судя по всему, существуют разные виды космической пены. Один тип называется «полем Хиггса». Крошечные белые точки на изображении представляют собой пенистые частицы так называемого «бозона Хиггса». По мнению физиков, это может быть лишь одно из множества более странных полей виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих внутри космоса.
Сине-белые точки — это бозоны Хиггса, которые дрожат и вибрируют… приходят и уходят… постоянно. Во всем космосе, между атомами эта космическая пена появляется и исчезает за крошечные доли секунды. Были собраны данные, позволяющие предположить, что именно так может выглядеть визуально пустое пространство…
Эти космические пятнышки настолько малы, что квинтиллионы, квинтиллионы и квинтиллионы из них могут поместиться в точке в конце этого предложения. Теоретически, они имеют размер предполагаемой «планковской длины», что в 100 триллионов раз меньше протона. Если это правда, то пустое пространство далеко не пустое.
Согласно квантовой теории, существует дюжина отдельных статических полей, все они переплетены друг с другом, все движутся, пульсируют и колеблются во всех трех измерениях, когда через них проходят гравитационные и магнитные волны. Например, кварки могут быть «проявлениями» или «возбуждениями» трехмерного «кваркового поля», взаимодействующими с трехмерным «полем Хиггса». Электроны будут выпуклостями и вихрями в трехмерном «электромагнитном поле». Глюоны были бы возбужденными пиками в глюонном поле.
К сожалению, физики любят использовать термин «поле» для описания того, что, по их мнению, составляет «пустое» пространство, но практически никто не может объяснить, как может выглядеть это поле.
Жуть! Все это до безумия теоретическое
Тем не менее, вот изображение, которое создано (на основе квантовой теории), показывающее, как могут выглядеть поля пустого пространства – смесь танцующей космической пены, полей, частиц материи и энергии, простирающихся во ВСЕХ направлениях, движущихся, приходящих и уходящих внутри нашей Вселенной.
Если это вообще верно, то нам становится немного легче представить, как «волна» может проходить через пустое пространство. Если пространство содержит огромное море статических полей виртуальной пены, то волна может нарушить эту пену, как это сделала бы волна воды. Она могла бы пройти сквозь космическое вещество, войти с одной стороны и выйти с другой!
Мы знаем, что пространство НАПОЛНЕНО гравитационными волнами (или гравитонами), проходящими мимо каждого сгустка массы во всей Вселенной. Следовательно, пустое пространство будет находиться в постоянном движении, заполненной полями, волнообразными, танцующими, мерцающими волнами и пеной, пронизанными кусками материи и огромным количеством проходящих гравитационных волн и фотонов энергии.
Неудивительно, что физики уходят от ответа, когда их спрашивают, как выглядит пустое пространство!
Вот еще одна аналогия, чтобы представить себе ЭТО. Представьте бурный океан, где волны разбиваются друг о друга. В какой-то момент вершина волны поднимается вверх и распадается на короткую белую пену. В квантовом мире эта вершина пены ЯВЛЯЕТСЯ частицей материи ИЛИ энергии, а океан — это «поле». Как и в океане, белая пена долго не живет. Она падает обратно в море и исчезает, а на ее место приходит другая пена.
В космосе то, что мы считаем частицами материи и энергии, также может схлопываться обратно в создающие их полевые волны, тогда их место занимают другие частицы. Скорость всего этого настолько быстра, что может показаться, будто первоначальный всплеск никуда не исчезает, а все еще существует. Именно так физики представляют себе поля, занимающие «пустое пространство». Их «возбуждения» — не что иное, как пики пены, которые постоянно всплывают, разрушаются и снова всплывают. Это можно было бы представить примерно так:
В этой теории фотоны чистой энергии, движущиеся со скоростью света, сами по себе являются не чем иным, как неровностями и возмущениями в их собственном «электромагнитном поле».
Если это так, то пролетающий фотон — это не какая-то частица, а быстро движущийся выступ внутри электромагнитного поля, заполняющего все пространство. Вы можете представить это как вершину крошечной волны, движущейся со скоростью света внутри своей собственной волнообразной реки… точку внутри огромного конгломерата полей, которые представляют собой содержимое пустого пространства, несущегося в определенном направлении.
Кусочек материи, такой как кварк, должен был бы пробиваться через эти поля, особенно через поле «Хиггса», когда они движутся в пространстве. При этом часть космической статической пены поля Хиггса прилипает к ним и делает их тяжелее (более массивными). Вот статическое изображение того, как это может выглядеть. Кварк — это красноватая точка на изображении:
На рисунке пена бозона Хиггса прилипает к кварку и делает его массивным при движении через поле Хиггса. Исследователи квантовой физики, однако, обнаружили, что, как и статика во всех полях, которые могут пронизывать пустое пространство, пена Хиггса приходит и уходит в пустое пространство и выходит из него с невероятной скоростью. Эта красноватая точка кварка приобретает, а затем теряет бозонные искры с постоянной скоростью. В результате масса кварков обычно остается постоянной.
Что ж, если эта очень, очень сложная история по большей части правдива, тогда становится легче понять, каким может быть пустое пространство. Это пустота, ЗАПОЛНЕННАЯ космической пеной, которая приходит и уходит в пределах дюжины различных вакуумных полей, с кусочками кварков и лептонов, образующими куски массы, плывущими по своим полям, как пузыри пены и взаимодействуя с ними, с пиками фотонов чистой энергии, движущимися со скоростью света в их собственном электромагнитном поле, в то время как волны гравитации, магнетизма и другие «силовые волны» проходят через эти загадочные поля во всех направлениях, вызывая рябь вакуумных полей Вселенной и заставляя их двигаться.
Фух-х-х! Всё? Не совсем…
Чтобы еще больше вас запутать скажу, что некоторые физики считают, что крошечные искры статики в вакуумном поле сами состоят из так называемых «космических струн». Теория струн — это отдельное основное направление физических исследований. Процитируем лишь одну ее особенность: теория струн предполагает, что струны не только занимают пространство, но могут занимать 9-мерное пространство , а не только 3 измерения, к которым мы привыкли. Если это правда, то пространство и его запутанное содержимое растянулись бы на 9 отдельных пространственных измерений. Как вам это???
Если это правда, то все это может происходить внутри наших тел. Каждый наш кварк, каждый электрон, каждый атом всегда будет купаться в бурлящей массе бозонов Хиггса, триллионов фотонов регулярной энергии, гравитационных волн, сверкающей статической космической пены, десятков вакуумных «полей» и космических струн, Темной Материи и Темной Энергии, проходящие через наши тела и через наше «пустое пространство» каждую микросекунду.
Конечно, все это приводит ко множеству очень щекотливых вопросов – из чего состоят струны, бозоны Хиггса или другие виртуальные частицы? Откуда они? Неужели они могут быть всего лишь «возбуждениями колеблющихся океанов десятков полей, занимающих все пространство?
Не менее важно и то, что такое ПОЛЕ? Сколько этих полей? Откуда они пришли? Что такое, черт побери, космическая пена? Что такое темная материя и темная энергия? Как долго они существуют? Вселенная бесконечно заполнена ими или нет? И есть ли у пространства где-то край, за которым нет ничего? И как это, вообще, возможно?
Хуже того, если все эти вещи постоянно входят и покидают пустое пространство нашей Вселенной, то откуда они берутся? Куда они уходят, когда уходят? Может ли быть что-то НАМНОГО большее и сложное за пределами нашей Вселенной, что является источником всего этого?
Целая область физики пытается ответить на эти вопросы.
Итак, согласно современному пониманию, если удалить всю материю из объема, он все равно не будет «пустым» из-за флуктуаций вакуума, темной энергии, транзитных гамма- и космических лучей, нейтрино, а также других явлений квантовой физики. В современной физике элементарных частиц состояние вакуума считается основным состоянием материи.
На этом все и я надеюсь, что это длинное описание помогло представить вам, как может «выглядеть» пустое пространство и почему просьба к физику описать пустое пространство портит ему настроение и вызывает нежелание отвечать на какие-либо вопросы.
