Физики смоделировали квантовый процесс, который может положить конец Вселенной

Фото из открытых источников

Хотя наша Вселенная кажется стабильной, возможно, она находится лишь во временном состоянии ложного спокойствия, которое может разрушиться в мгновение ока. Мы считаем вакуум состоянием с самой низкой энергией во Вселенной. Но возможно, что существует ещё более низкоэнергетическое, более стабильное состояние. Статья с результатами нового исследования была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Теоретически, если бы какой-либо участок пространства перешёл в это состояние, он мог бы расшириться и поглотить Вселенную со скоростью света, переписав законы физики по мере своего распространения.

Добро пожаловать в мир распада ложного вакуума, одной из самых ужасающих концепций в квантовой теории, — и команда физиков из Университета Цинхуа в Китае только что нашла способ смоделировать его в лабораторных условиях.

Зачем им это понадобилось? Дело в том, что распад ложного вакуума в некоторых теоретических сценариях приводит лишь к разрушению Вселенной в том виде, в каком мы её знаем.

В более широком смысле, она находится на стыке квантовой теории и теории относительности, что делает её потенциально полезным инструментом для разрешения ранее непримиримых разногласий между этими двумя подходами.

Вот как это работает. Уравнения теории относительности чрезвычайно хорошо описывают, как работают физические процессы во Вселенной — в больших масштабах и на высоких скоростях.

Однако, как только вы попадаете в чрезвычайно малую область — квантовую Вселенную, существующую на атомном и субатомном уровнях, — теория относительности перестает быть подходящим инструментом для описания поведения вещей.

В настоящее время лучшим инструментом для этой задачи является квантовая теория поля , которая описывает взаимодействие квантовых полей и частиц.

Когда квантовая теория поля и теория относительности рассматриваются в рамках своих областей, они просто продолжают свою работу, но в экстремальных условиях они пересекаются, и всё становится запутанным. Не существует единой системы, объединяющей обе области, поэтому физики любят исследовать эти точки пересечения, чтобы найти такую теорию.

Одно из предсказаний квантовой теории поля заключается в том, что идеального вакуума не существует. То, что мы называем вакуумом пространства, на самом деле является состоянием квантового поля с наименьшей энергией.

Если энергетический ландшафт квантового поля имеет несколько локальных минимумов, или низких точек, то они соответствуют ложным вакуумам, из которых может произойти переход в истинный вакуум (еще более низкое энергетическое состояние).

Представьте себе ландшафт с множеством озер, некоторые из которых глубже других. Где-то под ними находится еще более глубокая котловина. Если на дне одного из этих озер откроется туннель, вода будет стекать в эту более глубокую котловину.

Но если бы нечто подобное произошло в вакууме космоса, оно не осталось бы внутри. Вместо того чтобы вода испарилась, крошечная область пространства перешла бы в это низкоэнергетическое состояние, образовав своего рода пузырь.

Этот пузырь не останется неподвижным – если он превысит критический размер, он будет расширяться наружу со скоростью, близкой к скорости света, превращая всё, к чему прикасается, в это новое состояние.

Именно поэтому она находится на стыке квантовой теории и теории относительности. Первоначальное туннелирование в нижнее состояние — это квантовый процесс, но последствия проявляются в самых масштабных возможных масштабах, распространяясь и изменяя всю Вселенную.

Ни квантовая теория поля, ни теория относительности сами по себе не могут полностью описать этот процесс. Для понимания распада ложного вакуума необходимы обе теории.

Это возвращает нас к лабораторному эксперименту. Не волнуйтесь, он на самом деле не предполагал выворачивания вакуумной полости наизнанку. Вместо этого исследователи использовали заменитель – кольцо из атомов Ридберга.

В обычном атоме есть ядро, окруженное крошечным роем электронов. Если добавить атому совсем немного энергии, рой электронов немного раздувается, делая атом чуть-чуть больше и рыхлее.

Атом Ридберга образуется при добавлении большого количества энергии в условиях, позволяющих ему сохранять свои электроны. Он сильно раздувается для атома, достигая многих микрон в поперечнике, а электроны связаны настолько слабо, насколько это возможно, не разлетаясь при этом.

Из-за своей негибкости атомы Ридберга ведут себя несколько необычным образом, что делает их полезными для проведения экспериментов.

Исследователи расположили четное число взаимно отталкивающихся атомов Ридберга в виде кольца. В таком расположении каждый атом занимает спиновую позицию, противоположную позиции атома по обе стороны от него, поэтому получается симметричный, чередующийся рисунок спиновых позиций по всему кольцу.

Затем они возбудили атомы с помощью лазеров, нарушив симметрию. Это позволило кольцу существовать в двух различных формах с немного отличающимися энергетическими состояниями, одна из которых представляла собой ложный вакуум, а другая — истинный вакуум.

Это слегка хаотичное кольцо затем будет «распадаться» в направлении предпочтительного основного состояния со скоростью, зависящей от мощности лазера, нарушающего симметрию.

Это согласуется с наиболее распространенным механизмом, который, как считается, приводит к распаду ложного вакуума, — образованием квантового пузыря, содержащего истинный вакуум. Условия, облегчающие образование пузыря, повышают вероятность перехода.

Этот эксперимент напрямую не сообщает нам ничего нового о распаде ложного вакуума, но он подтверждает теоретические предсказания о том, как это могло бы происходить.

Это означает, что разработанная командой система атомов Ридберга представляет собой новую площадку для исследования сложного пересечения квантовой физики и теории относительности.

Возможно, однажды это также покажет нам, насколько нам следует опасаться того, что Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, внезапно трансформируется во что-то совершенно иное.