Какво е "нищото"?
Това е изключително труден въпрос.
Ако се замислите, на където и да погледнете, винаги има нещо.
Изглежда невъзможно да се отървем от всичко.
Изглежда невъзможно дори и да си представим истинска празнота.
Това е нещо повече от философски въпрос.
Какво ще стане, ако извадя абсолютно всичко от тази кутия?
Всичкия въздух, прахта, всичко до последния атом,
докато не остане нищо.
Какво, тогава, ще съществува във вътрешността на кутията?
Дали наистина е "нищо"?
Може би се чудите какво значение има това.
Празнотата е нещото, което съставлява почти цялата вселена.
Дори атомите, които изграждат телата ни и света около нас,
се състоят предимно от празно пространство.
Този филм разказва историята за начина,
по който сме започнали да разбираме празнотата,
вакуумът, или с други думи - нищото.
Става въпрос за реалността
в най-далечните предели на човешките възприятия.
Място, което може да крие най-големите загадки на вселената.
Този филм разкрива как, с помощта на съвременни технологии,
хората са задминали възприятията си, и са открили начини за проумяване
и проучване на вселената в най-малките й мащаби.
Днес смятаме, че "празнотата" крие най-дълбоките тайни на природата.
Може дори да обясни защо въобще съществуваме.
Това е така, защото доколкото знаем, цялата вселена се е появила
преди около 14 млрд. години...
... от нищото.
www.kolibka.com представя
Н И Щ О
В продължение на повече от 1000 години,
разбиранията ни за празно пространство били дефинирани от един човек.
Гръцкият философ, Аристотел.
За него, същността на "нищото" била силно обезпокоителна.
Изглеждало, че това създава много проблеми и парадокси.
Той вярвал, че природата винаги ще се противопоставя
на създаването на абсолютна празнота.
Както той самият е казал: "природата ненавижда вакуума".
Тези думи запазили силата си в продължение на 1000 години,
защото хората, които се опитвали да създават празно пространство
срещнали огромни проблеми.
Природата наистина правела всичко възможно, за да им попречи.
Цялата мистерия около "нищото" е събрана в тази сламка.
Нека да демонстрирам.
Ако изсмуча въздуха от сламката, в нея моментално влиза друг въздух,
който заема празното пространство.
Още по-странно е, че ако запуша единия край и засмуча въздуха,
стените на сламката се свиват.
Сякаш вселената не иска да ми позволи да създам "нищо".
Става и още по-странно. Ако засмуча от питието си,
и запуша единия край на сламката,
виждаме, че природата е толкова решена да ме спре,
че дори закона за гравитацията бива пренебрегнат.
Не е трудно да разберем защо хората са смятали,
че е невъзможно да се създаде абсолютно празно пространство.
Но за поведението на сламката има много просто обяснение.
Причина, която се оказала истински шок за хората, които я открили.
До 17-и век били открити някои странни изключения
от ненавистта на природата към празното пространство.
Изглеждало, че може да има начини за създаване на "нищо".
Човекът, който осъществил това, което Аристотел смятал за невъзможно,
бил един италиански йезуит на име Еванджелиста Торичели.
Експериментът на Торичели щял за първи път да създаде
и улови празно пространство за достатъчно дълго време,
за да бъде проучено.
Ето как е протекъл експериментът. Имаме тръба, пълна с живак
и сме запушили краят й с пръст.
Обръщаме я с отвора надолу и я поставяме в съд с живак.
В този момент махаме пръста си от отвора.
Виждаме как нивото на живака спада.
Изведнъж, живакът спира.
Значи това, което остава в кухината трябва да е въздух.
Започнахме с тръба пълна с живак и единственото, което направихме е,
че го оставихме да изтече.
Но той не изтече изцяло, а спря до определено ниво.
Експериментът на Торичели не само създал пространство без въздух,
но и показал, че атмосферата има специфично тегло.
Причината, поради която сламката се свива е заобикалящата ни атмосфера.
Но експериментът на Торичели преодолял това,
използвайки тежестта на живака и здравата стъклена тръба.
Нивото на живака в тръбата е мярка за теглото на атмосферата.
Нивото е определено от тежестта на живака в тръбата
и тежестта, с която въздуха притиска живака в съда.
Живака в тръбата се балансира като везна.
Торичели е открил метод за измерване теглото на атмосферата.
След това написал тази фантастична фраза:
"Noi viviamo sommersi nel fondo d'un pelago d'aria elementare."
"Живеем на дъното на океан от въздух."
Изведнъж, въздухът се превърнал във физична субстанция.
Истинската загадка за мен е, какво има в празното пространство.
Може ли наистина да е "нищо"?
Това е въпросът.
Разкривайки, че въздуха има тегло и ни притиска постоянно,
и че запълва всяко пространство, което може,
Торичели е успял да създаде празно пространство.
Един вид "нищо", което може да бъде проучвано.
Хилядолетните ни разбирания за начина, по който природата функционира,
започнали да се разклащат.
Средновековната философия, повлияна от Аристотел,
твърдяла, че в природата не съществува празно пространство.
Но ето, че този простичък експеримент с една стъклена тръба
и някаква течност, успява да създаде нещо,
което според Торичели е празно пространство.
Това означава, че Аристотел и последователите му са грешали.
Как може само с един трик да разбиеш вековните философски твърдения?
Не ми се струва логично.
Но Торичели бил прав, а на философа и учен, Блез Паскал,
се паднало да развие и усъвършенства неговата работа.
Когато Паскал започнал да проучва идеите на Торичели,
той открил още странни свойства.
Той занесъл тръба с живак на върха на огромна кула в Париж,
и открил, че живакът се спуска по-ниско, отколкото на повърхността.
Изглеждало, че натиска на въздуха бил по-слаб на високо.
Експериментите на Паскал показали, че Земята е обвита
в атмосфера, която рязко изтънява с увеличаване на височината.
Накрая, тя преминава в студеното и безшумно космическо пространство.
Торичели и Паскал започнали да разкриват
една трудно разбираема истина - "нищото" е навсякъде.
Нашата Земя е една прашинка носеща се в огромната, безшумна
и враждебна празнота.
Не е вярно, че природата ненавижда вакуума.
Вакуумът е естественото състояние на природата.
Какво представлява това огромно и празно пространство?
Вече е възможно да го създаваме на Земята
и учените станаха силно любопитни.
Какви са свойствата на нищото?
След експериментите на Торичели и Паскал,
много учени се въодушевили да изучават свойствата на вакуума.
Открили са някои доста странни неща.
Например, ако поставим будилник във вакуум,
няма да можем да го чуем, защото във вакуума няма среда,
която да пренася звуковите вълни.
Още по-интересно е, че не можем да го чуем, но можем да го видим.
Това означава, че светлината преминава през вакуума.
Но как е възможно това?
За учените, които провеждали експерименти във вакуум,
заключението било само едно.
Вакуумът не е съвсем празен.
Фактът, че можем да виждаме през него
означава, че там все пак има нещо.
Те смятали, че щом въздуха провежда звуковите вълни,
трябва да има среда, която да провежда и светлината.
Каквато и да е тази среда, тя е доста трудна за премахване.
Изглежда, че "нищото", което Торичели и Паскал открили,
все пак е "нещо".
Загадъчна субстанция, която пренася светлинните вълни.
Щом тази субстанция съществува във вакуума на Земята,
значи съществува и в космоса.
Идеята, че нищото не съществува в природата се прокраднала още веднъж.
Изглежда, че всичко във вселената се намира в невидима среда,
която учените нарекли "светлинен етер".
Било е ясно, че светлината е вид вълна.
Но в каква среда е под тази форма?
Звукът е вълна във въздуха.
Светлината е вълна в т.нар. през 19-и век "светлинен етер".
Пренасящата светлина субстанция, която изпълва пространството.
Ако пространството е изпълнено със субстанция пренасяща светлината,
това означава, че празно пространство не съществува.
Още в момента, в който ни се е сторило,
че празното пространство може да съществува,
е станало ясно, че това не е така,
и че съществува субстанцията "етер", която пренася светлината.
Проблемът бил, че този етер изглеждал толкова неуловим,
че всички опити да бъде измерен се провалили.
Едва в края на 19-и век бил проведен достатъчно чувствителен експеримент,
който разкрил истината.
Експериментът се провел в САЩ,
а ученият, който го осъществил, Алберт Майкълсън,
станал първия американец получил Нобелова награда.
Още от младини, Майкълсън започнал да се занимава
с особено трудни практически проблеми във физиката.
Той си спечелили репутация чрез изключително подробните измервания
на скоростта на светлината.
След като завършил работата си по светлината,
Майкълсън пътувал до Европа, за да прекара малко време
с някои от най-добрите учени в света.
Там бил запленен от темата, за която всички говорели -
загадъчният светлинен етер.
Една идея обсебила силно въображението му.
Предполагало се, че ако скоростта на светлината
бъде измерена с голяма точност, може да е възможно да се извлекат
свойствата на етера.
Ако този етер наистина съществува, то докато Земята обикаля около Слънцето,
би трябвало да можем да засечем присъствието му.
По подобен начин, когато покажете ръката си през прозореца на колата,
усещате полъха на вятъра докато колата се движи из въздуха.
Майкълсън осъзнал, че ако този етер настина съществува,
два светлинни лъча би трябвало да се движат с различни скорости на Земята
в зависимост от посоката си на движение през етерния вятър.
Трудното било да се осъществи подобно измерване.
Изглеждало почти невъзможно.
Проблемът е, че скоростта на светлината е над 299 000 км/сек.
Доста е бърза.
В сравнение с това, Земята буквално пълзи по орбитата си.
Разликата в скоростите на двата лъча ще е минимална.
Нещо от рода на, едно на сто милиона.
Прецизността необходима за подобно измерване
била отвъд възможностите на науката.
Но упоритият Майкълсън не мислел така.
Той се заел с разнищването на проблема.
Започнал да развива техники и прецизни инструменти,
които според него щели да разкрият тайните на етера.
Майкълсън започнал да прави замервания
и да усъвършенства апаратите си през 1881 г.
но едва през 1887 г. в училището по приложни науки в Кливлънд, щат Охайо,
успял да създаде достатъчно чувствителна машина,
която да му даде категорични отговори.
Там, той обединил усилията си с друг учен, Едуард Морли,
и те провели един от най-прочутите експерименти във физиката.
Оригиналното устройство се състояло от солиден блок пясъчник,
потопен в съд с живак, за да се отстранят всякакви странични вибрации.
Било високо технологично и много скъпо.
Приемете го като тогавашната версия на Големия адронен колайдер.
Ето как работи.
От тук се излъчва светлина.
По средата има нещо, наречено "разделител на лъчи",
който разделя този лъч на две.
В краищата има две огледала, които отразяват лъчите обратно към средата.
Двата лъча се съединяват при разделителя.
Светлината е изпратена към този детектор.
Поради вълновите свойства на светлината, виждаме характерен образ.
Ако двата светлинни лъча са се движели с еднаква скорост,
по средата на образа ще видим ярка точка.
Ето я настина хитрата част.
Майкълсън и Морли осъзнали, че ако Земята се движи през статичен етер,
експериментът трябвало да даде различни резултати.
Да видим какво се случва, когато симулираме ефекта на етера.
Светлината тръгва от източника и бива разделена.
Това е ключовия момент.
Лъчът, който се движи срещу етера и обратно,
изминава разстоянието за различно време от другия лъч.
Това означава, че когато светлинните вълни се съединят,
ще се получи интерференция.
Интерференцията означава, че образа ще има тъмно петно в центъра.
Ако видим това, ще знаем, че пространството трябва да е изпълнено
със статична субстанция, през която Земята се движи.
Разбира се, няма как да знам какво са си мислели Майкълсън и Морли,
в началото на експеримента.
Но имайки предвид научните разбирания по онова време,
те най-вероятно са вярвали, че етера съществува.
Били са убедени, че ще открият как светлината се движи
с различна скорост в различните посоки.
Но не станало така.
Независимо как разполагали устройството,
светлината винаги се движела с една и съща скорост.
Майкълсън и Морли се сдобили с необикновен и прецизен резултат,
но идеята за светлинния етер била толкова силно поддържана,
и те помислили, че експериментът им се е провалил.
Какво се е случило?
Защо експериментът не разкрил очаквания резултат?
Как е възможно светлината да се движи винаги с еднаква скорост?
Отговорът е лесен - етерът не съществува.
Независимо как светлината се движи из пространството,
тя няма нужда да бъде провеждана от тази загадъчна субстанция.
Как се движи светлината през празното пространство?
До края на 19-и век се е смятало, че светлината е комбинация
от променливи електрически и магнитни полета.
Нужен бил геният на Айнщайн, който през 1905 г. разкрил,
че светлината не се нуждае от етер.
Той доказал, че тя притежава странното свойство да се придвижва
през напълно празно пространство.
Изводът от провалилия се експеримент на Майкълсън и Марли е следния:
не съществува никакъв етер.
Може би вакуумът наистина е празен.
Де да беше толкова просто.
Почти веднага след като Майкълсън и Морли случайно открили,
че "нищото" може да съществува,
учените започнали да разкриват някои много странни свойства на природата.
През 100-те години след експеримента на Майкълсън и Морли,
физиката и разбиранията ни за вакуума бяха драстично променени.
Нещото, което предизвика тази промяна не бе само научното любопитство,
а фактът, че в края на 19-и век, вакуумът и многото му приложения
се превърнаха в голям бизнес.
Индустрията намираше все повече гениални начини
за правене на пари от нищото.
Разбирането и обуздаването на вакуума доведе до нови технологии,
които днес приемаме за даденост.
Неща като електрическата крушка и телевизора са възможни,
само защото съдържат в себе си малки количества вакуум.
Жичката на електрическата крушка издържа дълго време,
защото се намира във вакуум.
Ако я изложим на въздух, ще изгори за секунди.
Когато градовете започнали да се електрифицират,
търсенето на електрически крушки нараснало значително.
Инженерите ставали все по-умели в създаването на евтини
и ефикасни вакууми.
Тази технология създала огромна поредица от приспособления -
от вентилите в радиоприемниците и първите компютри, до телевизията.
Но всички технологични иновации дошли след усвояването на вакуума
щели да бъдат незначителни в сравнение с това,
което учените открили за същинската природа на реалността.
Тъй като технологията за получаване на вакуум ставала все по-евтина,
учените по целия свят можели да я използват за проучвания.
Вече можели да бъдат проучвани най-малките съставки на природата,
без намесата на замърсения въздух от околната среда.
Това довело до революция във физиката.
През 1895 г. благодарение на вакуума, били открити рентгеновите лъчи.
През следващата година, електронът бил засечен за първи път.
А през 1909 г. Ърнест Ръдърфорд щял да използва вакуума,
за да разкрие странната структура на атома.
Тези открития водели към нова и радикална картина
на начина, по който природата е устроена в най-малките си мащаби.
Това било теория, която щяла да стане известна като "квантова механика".
Микроскопичният свят, който тя разкрива
се държи много различно от това, с което сме свикнали.
Това е свят, в който изглежда, че е невъзможно
да съществува истинско "нищо".
Това е класическия свят - действие и противодействие.
Причина и следствие.
Той е видим, осезаем и познаваем.
Но квантовият свят е много различен.
Едно откритие било особено обезпокояващо.
Познато е като "принцип на неопределеност на Хайзенберг".
В обикновения живот, ние изпитваме съмнения и несигурност.
Как можем да сме сигурни, че дадено нещо е така или иначе?
Оказа се, че самата природа е основана на несигурността
и на неопределеността.
Светът на квантовата физика, микроскопичния свят,
е свят на несигурност, в който никога не може да сте сигурни
какво ще се случи.
Това е така, не защото наблюденията ви не са точни,
а защото самата природа е основана на несигурността.
Ще се опитам да ви обясня
принципа на неопределеност на Хайзенберг.
Ще използвам не-математичен аналог, но не трябва да прекаляваме,
защото все пак е само аналог.
Имам две еднакви флашки.
На първата има образ с висока резолюция.
Това е моя снимка докато играя билярд.
Снимката е много подробна. Мога да увелича образа.
Мога да се доближа много до масата.
Дори и при това увеличение,
мога да видя точната позиция и очертанията на топката.
Но това, което не знам е, колко бързо се движи топката
и какво ще се случи.
На втората флашка има различен файл.
Това е видео файл.
Важно е да знаем, че файлът е със същия размер
като снимката с висока резолюция.
Вижте това.
Сега виждаме как се развива цялото действие.
Същата картина, но виждаме как топките се движат.
Но ако увелича образа,
топките стават размазани.
За същото количество информация, видях как се движат топките,
но вече не знам точните им позиции.
Колкото повече знам къде се намира даден обект,
толкова по-малко знам как се движи.
В квантовия свят,
не мога да знам с точност и двете стойности едновременно.
За жалост, няма как да преодолеем този проблем.
Хайзенберг доказал по математичен път, че това е неизбежна черта
на реалността в този мащаб.
Какво общо има тази квантова странност с "нищото"?
Принципът на неопределеност на Хайзенберг
може да бъде изразен и по друг начин.
Като баланс между две стойности - енергията и времето.
Ще прозвучи доста сложно, но е много важно.
Ако изследвам малък обем празно пространство в тази кутия,
бих могъл да знам с голяма точност колко енергия има вътре.
Но ако мога да забавя времето, нещата ще станат доста странни.
В момента гледаме малък интервал от време на забавен кадър.
Според принципа на неопределеност на Хайзенберг,
щом гледам в по-малки интервали от време,
вече съм изгубил информацията
относно точното количество енергия в кутията.
Ако можех да наблюдавам още по-малки интервали от време
и още по-малък обем, то уравнението на Хайзенберг предполага,
че може да се случи нещо наистина странно.
До такава степен ще съм изгубил представа за количеството енергия
в тази част на кутията, че е възможно там да има достатъчно енергия,
за да се създават частици буквално от нищото...
... при условие, че по някакъв начин те изчезват много бързо.
Принципът на неопределеност на Хайзенберг предполага,
че в наистина малки количества време и пространство,
нещо може да бъде създадено от нищото.
Но тогава какво?
Ако частиците могат да се появяват от нищото, къде отиват?
Защо не ги виждаме да се появяват навсякъде около нас?
Вакуумът, противно на очакванията, е жив.
Жив е заради т.нар. "квантови флуктуации".
Във вакуума, много бързо се появяват и изчезват малки снопчета от енергия.
И това е в пълен синхрон с физичните закони.
Дори си има и име - принцип на неопределеност на Хайзенберг.
Този принцип ни казва, че можем да вземем енергия от нищото,
стига да я върнем достатъчно бързо.
Вакуумът е жив.
Колкото и странни да изглеждат тези идеи,
те са фундаментални за вселената.
За да разберем как е възможно това, нашата история за "нищото"
ще ни отведе при една от най-надарените
и странни личности във физиката.
Зад мен се намира основно училище "Бишъп Роуд" в гр. Бристол
и преди почти 100 години то е било посещавано от двама ученици,
които били обречени на величие.
Един от тях, Арчибалд Лийч, е щял да покори Холивуд
под името Кари Грант.
Другият бил доста тихо, срамежливо и емоционално момче,
две години по-младо от Грант, и е щяло да се превърне
в един от най-великите британски учени.
Теоретичният физик Пол Дирак.
Дирак беше доста странна птица, дори и за теоретичната физика.
Не беше човек, с когото можеш да изпиеш една бира.
Беше невероятно съсредоточен, изразяваше се с няколко думи,
никак не беше сговорлив и имаше праволинейна мисъл.
Тези черти били ключа към гения на Дирак.
Но освен това, често водели до странни
социални взаимоотношения с хората.
Дори и в случаен разговор, Дирак никога не си хабил думите напразно.
Често оставял дълги паузи между изреченията,
за да намери най-точния начин, по който да се изрази.
Приятелите му започнали да използват думата "дирак" като термин
означаващ "най-малкото количество думи, които могат да се изрекат
за един час при активно участие в разговор".
Било като мерна единица за срамежливост.
Необикновената личност на Дирак се коренила в трудното му детство.
Но още от малък, той намерил утеха в класната стая.
Отличавал се от останалите с математическите и технически чертежи.
Това развило неговото визуално въображение.
В часовете по математика го привличали математическите символи.
В часовете по чертане е гледал други неща, но по геометричен начин.
Това повлияло много силно на начина,
по който гледал на физиката в последствие,
защото развил силни визуализаторски способности.
Дирак имал геометричен поглед над физиката.
Той не се интересувал толкова от математическите символи, например,
а имал визуално усещане за математиката.
Дирак продължил визуалното си усъвършенстване, ставайки инженер,
след което отишъл да учи математика в Кеймбридж.
Там Дирак започнал да разкрива най-големите загадки на вакуума
и установил какво се случва в празното пространство.
Но неговото прозрение се сблъскало с едно неочаквано препятствие.
До 1928 г. физиката била изправена пред голям проблем.
Двете най-важни теории, описващи как работи вселената,
били в противоречие помежду си.
От едната страна била специалната теория на относителността,
заключаваща се в уравнението Е=mc^2.
Това е красива и елегантна теория, описваща поведението на материята
близо до скоростта на светлината.
От другата страна била квантовата теория на Планк
и последвалата революция, описваща нещата в най-малките мащаби.
Проблемите възникнали когато ставало въпрос за достатъчно малки неща
попадащи в квантовата теория,
но и движещи се достатъчно бързо, за да се намеси относителността.
Имало големи проблеми при опитите за описване на електрона.
Малката частица, лутаща се из атома.
Ако двете теории са верни, би трябвало да бъдат използвани заедно,
за да се направи математическо описание на електрона.
Ами ако това не може да се направи?
Какво ще стане, ако относителността и квантовата физика са несъвместими?
Това означава, че едната от двете трябва да е грешна.
Трябвало е да се намери начин за съчетаване на двете теории.
Дирак е щял да постигне това.
Съвместяването на относителността и правилата на квантовия свят
се наредило сред най-големите математически постижения на 20-и век.
То щяло да доведе до съвсем нова представа за "нищото".
За да придобия усещане за постижението на Дирак
и за начина, по който го е постигнал,
отивам да гледам един от любимите му филми -
"2001 - Космическа одисея".
Ако разберем защо му е харесвал този филм,
може да проумеем как е успял да реши големия проблем.
Този филм, както Кубрик е казал, е доказателство,
че може да се създаде добър сценарий, без думи,
но със силата на визуалните метафори.
Това е много близо до теоретичната физика на Дирак,
защото същественото за него били математическите уравнения,
за които той си изграждал визуална представа.
Абстрактните образи в "2001" се харесвали на Дирак,
защото успали да запленят неговото гениално визуално въображение.
Точно това силно развито нестандартно мислене,
породило се в ученическите му години, му дало възможността
да си представи уникалния начин за описване на електрона през 1928 г.
Това описание най-накрая обединило теорията на относителността
и странния свят на квантовата механика.
Днес е познато просто като "уравнението на Дирак".
Може да изглежда като малък сбор от символи,
но за математиците, това уравнение е особено красиво.
Сложен и симетричен синтез от математически идеи
изразен с потресаваща яснота.
Това е възпоменателната плоча в "Бишъп Роуд" -
основното училище на Пол Дирак.
На нея е изписано прочутото уравнение.
В тези няколко символа се крие една дълбока истина за вселената.
Но не се заблуждавайте от елементарния му вид.
Приемете това уравнение като върха на огромен математически айсберг.
Всеки от тези символи е свързан с цели дялове от математиката
и конкретните връзки между тях.
Зад това уравнение се крият математически идеи,
които са били развивани от много други велики личности.
Ако си представите една поема, това е най-красивия начин за изразяване,
чрез който се придава дълбок смисъл на много кратък текст.
Уравненията на Дирак имат същото свойство.
Те са кратки, но ако ги разгърнем, подобно на шекспиров сонет,
виждаме все повече съдържание и елегантност.
По същия начин, от уравнението на Дирак можем да откриваме нови неща,
които не се виждат на първо четене.
Дирак веднъж казал, че уравнението му е по-умно от него,
защото изразявало повече неща, отколкото той е вложил в него.
Имало едно особено странно нещо, което уравнението показвало.
Нещо, което щяло да промени завинаги разбиранията за празното пространство.
При описанието на електрона, Дирак трябвало да използва четири уравнения,
представени от символа "гама" (Y),
за да съчетае относителността и квантовата механика.
Но необходимостта от тези четири уравнения изглеждала странна.
За Дирак и останалите физици през 20-те години,
първите две били добре известни.
Те описвали поведението на електрона по време на лабораторни наблюдения.
Но другите две били много странни.
Изглеждало, че те предполагат съществуването на друг вид електрон,
какъвто не бил виждан никога.
Това е нормалния свят, който всички познаваме.
Тук се намират обикновените електрони.
Тези електрони, които се срещат в безбройните атоми
изграждащи тази маса, мен и всичко останало във вселената.
Дирак осъзнал, че тези нови и загадъчни елементи в уравненията
предсказвали съществуването на нов, странен вид частица.
Тази частица е от една страна еднаква с електрона,
но от друга страна е много, много различна.
Дирак постепенно ставал все по-убеден, че новите части от уравнението
описвали нещо, което може да бъде прието като антиелектрон.
До голяма степен, това било огледален образ на електрона,
притежаващ противоположни свойства като електрическия заряд.
По принцип, антиелектрона може да е част от антиатом,
а много антиатоми могат да създадат маса от антиматерия
и дори мен самия от антиматерия.
Но странностите не приключили до тук.
Дирак осъзнал, че ако обектите и анти-обектите се срещнат,
ще се самоунищожат моментално, превръщайки материята си в енергия.
Ще изчезнат напълно.
Тук се криел отговорът на загадката за празното пространство.
Принципът на неопределеност на Хайзенберг предполага,
че материята може да се появи от нищото
за много кратки периоди от време.
Дирак открил механизма,
по който материята може да бъде създавана от вакуума,
и също толкова бързо, да изчезва.
Нека погледнем отново към нашата кутия.
Когато една частица се появи в празното пространство,
моментално се появява и нейната античастица.
Въпреки че това звучи направо абсурдно, ви уверявам, че е истина.
Когато се опитаме да премахнем всичко възможно от празното пространство,
то винаги е изпълнено с тези флуктуации.
В "нищото" има нещо подобно на газировка.
Динамичен танц, в който двойки от частица и античастица заемат енергия
от вакуума за кратко, след което се унищожават и я връщат обратно.
Теорията на Дирак за електрона и идеята за антиматерия
ни дават изцяло нова картина на вакуума.
Преди това, се е смятало, че вакуума е просто празно пространство.
Относителността доказа, че етера не ни е нужен,
и така бе изградена представата, че вакуума е празен.
Но когато съчетаем относителността с квантовата теория,
получаваме тази идея за електрон и антиелектрон,
които се появяват от вакуума.
Можем да си представим подобни двойки извиращи навсякъде във вакуума.
Вакуумът се превърна от "нищо", в място, което гъмжи
от материя и антиматерия.
Идеите на Дирак за празното пространство
били усъвършенствани и развити
в съвременната "квантова теория на полето".
Тези странни бълбукащи в нищото частици
са известни като "виртуални частици".
Изглежда, че "нищото" е кипяща маса от виртуални частици,
които се появяват и изчезват трилиони пъти само за миг.
Дойдох в Импириъл колидж в Лондон, за да видя ефекта от тези частици.
Благодарение на гениалния експеримент на един американски учен
на име Уилис Лам, разполагаме с метод, който доказва,
че в "нищото" има активност.
За да го видим,
ще трябва да се вгледаме във вътрешността на един атом.
Лам намерил гениален начин да го направи.
Какво е направил Лам?
Експериментът му се основава на квантовите правила на атома.
Електроните в атомите притежават точно определена енергия,
докато обикалят около ядрото.
Експериментът му показал, че ако вакуума наистина е пълен с флуктуации,
това би създало съвсем слабо колебание в орбитите на електроните.
Представете си, че електрона е летящ самолет попадащ в турбуленция.
Това принуждава самолета да премине на малко по-голяма височина.
Ето как работи експериментът.
В тази вакуумна камера има няколко атома.
Лам е използвал микровълнови лъчи в своите експерименти,
но учените от колежа използват лазери, за да тестват електроните.
Ако всичкото това оборудване ви изглежда прекалено,
само си припомнете колко фино измерване ще правим.
Този апарат трябва да е достатъчно чувствителен,
за да улови минимални промени в поведението на нещо,
което само по себе си е изключително малко.
Представете си, че можем да увеличим колебанието в електрона
до размерите на тази ябълка.
Това означава, че вакуумната камера зад мен
трябва да е с размери 1,6 трилиона километра.
Това е около 100 пъти повече от размера на Слънчевата система.
На светлината щяха да й трябват 40 дни,
за да се придвижи от единия до другия край.
Какво се случва вътре?
Нека първо да включа лазера.
Мониторът ни показва какво точно се случва във вакуумната камера,
до най-малката подробност.
Вижте този пиков момент.
Може да не изглежда много вълнуващо, но това е знак за нещо удивително.
Това показва колебанието в електрона причинено от самия вакуум.
Ако вакуумът беше наистина празен, тук щеше да има права линия.
Това означава, че колкото и усърдно да се опитваме да премахнем всичко,
никога не можем да получи наистина празно пространство.
Пространството из цялата вселена е изпълнено с този вакуум,
притежаващ загадъчна енергия.
Но това не е всичко.
С помощта на математиката развита от Хайзенберг, Дирак и други учени,
можем да изчислим стойността на колебанието на електрона.
Резултатът от експеримента съвпада с теорията
с разлика едва едно на милион.
Теорията за квантовата механика е най-точното и най-силно описание
на света около нас.
Има и много по-драматичен начин да видим ефекта от квантовите флуктуации,
защото те са изписани върху звездите.
Според най-добрите ни съвременни теории,
след като вселената се появила от вакуума,
тя се разширила много рязко.
Това означава, че правилата на квантовия свят трябва да са допринесли
за огромната структура на космоса.
Когато се появила, нашата вселена е била много по-малка от атом.
Докато е била в този размер,
е била подвластна не на класическите правила, които познаваме,
а на странните правила от квантовия свят.
За мен това е една от най-красивите и дълбоки идеи в науката.
Квантовата реалност е оформила структурата на вселената,
която виждаме днес.
Нашата вселена представлява силно уголемен квантов свят.
"Нищото" е придало форма на "всичко".
Освен това, вече знаем как да го видим.
Това е снимка на първата светлина, освободена след Големия взрив.
Приемете я като бебешка снимка на "всичко".
Тази невероятна снимка е направена от изследователски екип на НАСА
начело с проф. Джордж Смут.
Това е като да правим снимка на ембрион, 12 часа след зачеването,
в сравнение с това да снимаме 50 годишен човек.
За 12 часа бихме имали едва две клетки.
Това е много ранен етап.
Въпреки това, ние виждаме ДНК на развиващата се вселена.
С помощта на изключително чувствителни сателити,
Джордж Смут и екипа му успели да проучат този образ на вселената
с удивителни подробности.
В резултат, те открили малки промени в температурата й.
Скоро станало ясно, че тези промени са белезите оставени от квантовия вакуум
върху нашата вселена.
Тези неравности, създадени в първите мигове на сътворение
от гъмжащия квантов вакуум, означават, че материята във вселената
не се е разпределила напълно равномерно.
По-скоро, материята създала огромни буци,
които се развили в галактиките и галактическите купове,
изграждащи съвременната вселена.
Прилагането на квантовата физика в космологията и в самата вселена
бе революционно и промени възприятията ни относно развитието на вселената.
Оказа се, че квантовата физика предлага естествен механизъм
използващ квантовите флуктуации,
обогатяващи вселената с дребни неравности,
които в последствие създават галактики.
Идеята е потресаваща.
Един обект с милиарди звезди, като Млечния път,
е започнал живота си като квантова флуктуация,
или както я наричаме "флуктуация на вакуума" с микроскопични размери.
Наистина е умопомрачително.
Изглежда, че квантовия свят - място, което смятахме за празно -
всъщност е оформил всичко, което виждаме около нас.
Нещо, което е било малка квантова флуктуация,
се е превърнало в нашата галактика.
Получават се и галактически купове, защото флуктуациите са много.
Това отговаря на въпроса "защо има толкова много галактики".
В една капка вода има много повече от 100 млн. квантови флуктуации,
колкото има в един атом.
Вакуумът е изпълнен с тези мехурчета.
Гъмжащият от активност вакуум и квантовите флуктуации в него...
... са семената, които са пораснали във вселената, която виждаме днес.
Тази идея поражда едно заключително прозрение.
Най-добрите съвременни теории за космоса ни казват,
че в началото на времето вселената се е появила от вакуума...
... създавайки не само огромни количества материя,
но и странната субстанция предвидена от Пол Дирак.
Антиматерия.
Но вселената, която виждаме днес е съставена от материя.
Изглежда, че почти всичката антиматерия е изчезнала.
Според стандартната теория,
Големия взрив е създал равни количества материя и антиматерия.
Когато вселената се охладила, те се унищожили взаимно,
но не изцяло пропорционално.
На всеки милиард частици материя и антиматерия,
имало по една частица остатък.
Материята и антиматерията, които се унищожили излъчвайки радиация,
създали горещината на Големия взрив, която днес виждаме
като "микровълново фоново лъчение".
Единиците останали частици са тези, които изграждат галактиките,
звездите, планетите и хората.
Ние сме остатъка от огромното унищожение на материя и антиматерия
в началото на времето.
Останки от невъобразима експлозия.
Всички тези прозрения са резултат от усилията ни
да проумеем какво представлява "нищото".
Изглежда, че онова, което някога наричахме "празнина",
крие в себе си най-дълбоките тайни на цялата вселена.
През 400-те години след като Торичели и Паскал
започнали да изследват вакуума, започнахме да разбираме все по-ясно,
че светът се намира на границите на нашите възприятия.
Едновременно с това, разкрихме странната истина за реалността.
Има дълбока връзка между нищото, от което сме произлезли,
и безкрайното, от което сме погълнати.
Превод и субтитри: FoxMulder www.kolibka.com © 2011