Древнегреческий парадокс объясняет возможную «космическую блокировку» Вселенной

Фото из открытых источников

Физики из Портсмутского университета предполагают, что квантовое поле может зафиксироваться в любом состоянии, в котором оно окажется, даже если существует состояние с более низкой энергией, потому что его окружение препятствует его изменению. Они называют эту идею «космической блокировкой», и она перекликается с парадоксом из Древней Греции.

Физики десятилетиями задают себе неудобный вопрос. Если Вселенная состоит из невидимых полей, почему каждое из них в итоге оказалось именно в том состоянии, в котором мы его наблюдаем, а не в каком-либо другом?

Группа исследователей из Университета Портсмута, работая совместно с коллегами из Сиракузского университета и Высшей нормальной школы в Париже, теперь предлагает часть ответа. Результаты их исследования опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Идея, которую они называют «космической блокировкой», заключается в том, что окружающая среда может оставить поле в выбранном им состоянии, даже если доступно другое состояние с меньшей энергией.

Чтобы проследить ход рассуждений, нам сначала нужна идея, которая противоречит интуиции. В квантовой физике квантовые поля — это невидимые сущности, простирающиеся по всей Вселенной, включая кажущееся пустым пространство между звёздами. То, что мы видим как частицы, — это колебания в этих полях.

Представьте себе спокойный пруд. Вода остается на месте, даже когда ничто ее не беспокоит, а упавший камень создает лишь одну конкретную рябь. Электрон или фотон — это нечто подобное: рябь в собственном поле.

Наиболее известным примером является поле Хиггса, которое участвует в придании частицам массы. Его наиболее заметный след, бозон Хиггса, был обнаружен в ЦЕРНе, в Большом адронном коллайдере, кольце диаметром примерно 27 километров недалеко от Женевы. Об этом открытии было объявлено 4 июля 2012 года. С тех пор это поле прошло путь от теоретического предположения до подтвержденной части Стандартной модели, теории, описывающей известные частицы и то, как они взаимодействуют.

Однако остается одно важное сомнение. Физики давно задаются вопросом, почему одни области науки переходят в одно состояние, а другие — нет, и может ли какая-либо из них однажды перейти в другое состояние, что повлечет за собой драматические последствия для Вселенной. В данном исследовании мы подходим к этому вопросу, не претендуя на его окончательное решение, как мы увидим.

В физике вакуум — это не то же самое, что ничто. Дэвид Уэндс, профессор космологии в Институте космологии и гравитации в Портсмуте, так сформулировал это в пресс-релизе университета: в космологии вакуум — это состояние, в котором поле находится на минимуме своей энергии, что не означает, что у него нет энергии вообще. Истинный вакуум — это самый низкий из возможных минимумов. Могут существовать и другие, более пологие минимумы, которые физики называют ложными вакуумами.

Обычно представляют себе ландшафт из долин. Представьте склон холма с несколькими впадинами и катящийся по нему мяч. Самая глубокая впадина, у самого низа, — это истинный вакуум, а более высокие и мелкие — ложный вакуум. Мяч, остановившийся в одной из таких впадин, остаётся на месте, даже если дальше находится более подходящее место. Поле может оказаться в таком же положении, застряв в состоянии с более высокой энергией, в то время как существует состояние с более низкой энергией.

Квантовая физика вносит свою сложность, поскольку стенки между провалами не являются полностью твердыми. Поле может пересекать их посредством квантового туннелирования, как если бы мяч оказался в следующем провале, так и не поднявшись по склону. Вероятность этого обычно ничтожно мала. Исследования того, как может распасться ложный вакуум, восходят к работам Сидни Коулмана и Кертиса Каллана, проведенным в 1977 году. В начале 1980-х годов Стивен Хокинг и Иэн Мосс рассчитали, как это может произойти в расширяющейся Вселенной — сценарий, который Грег Капланек описал как наиболее близкий к данному исследованию.

Всё это не просто любопытные факты. В некоторых версиях Стандартной модели текущее состояние поля Хиггса представляло бы собой ложный вакуум, в то время как истинный минимум находился бы при чрезвычайно больших значениях поля. Это называется метастабильностью: нечто, что выглядит стабильным и в течение огромного времени действительно является стабильным, но не навсегда. Во введении к исследованию отмечается, что предсказанное время жизни нашего нынешнего состояния намного превышает возраст Вселенной. Капланек представил это как отправную точку работы в докладе в декабре 2025 года.

Чтобы это выяснить, исследователи построили упрощенную модель поведения квантовых полей во время расширения Вселенной. Согласно краткому изложению доклада Кристи, прочитанного в марте 2026 года, анализируемое ими поле является «сторонним наблюдателем»: оно не управляет расширением, но переживает его. В качестве контекста используется инфляция — фаза чрезвычайно быстрого роста в первые мгновения существования Вселенной.

Исследователи хотели выяснить, что определяет, где в итоге окажется поле, и сможет ли оно впоследствии перейти в другое состояние. Робсон Кристи, ведущий автор исследования, говорит, что ответ во многом зависит от того, насколько быстро поле может реагировать на расширение. Поле, которое значительно тяжелее так называемой шкалы Хаббла (на практике это мера скорости растяжения пространства), быстро адаптируется и с большой вероятностью достигнет истинного вакуума, самого глубокого минимума.

Если расширение поля происходит слишком быстро для собственной динамики поля, система не успевает за ним, и существует значительная вероятность того, что она окажется в ложном вакууме. Аналогичная ситуация наблюдается и с автомобилем, проходящим поворот. На умеренной скорости водитель вовремя корректирует траекторию и следует по дороге, но автомобиль, движущийся слишком быстро для реакции водителя, выезжает за пределы трассы. В этом сравнении худшие результаты показывают легкие поля.

Авторы подчеркивают одну деталь. Взаимодействие с окружающей средой, по-видимому, не имеет большого значения для первого выбора. Оно приобретает огромное значение впоследствии.

После того как поле стабилизируется, в игру вступает окружающая среда посредством процесса, называемого декогеренцией . Квантовая система может вести себя так, как если бы она находилась в нескольких состояниях одновременно, и эти возможности комбинируются подобно ряби на пруду, усиливая или нейтрализуя друг друга. Именно эта способность к интерференции позволяет совершать скачки между провалами.

Когда поле постоянно взаимодействует с окружающим миром, возможности теряют свой волновой характер, и система ведет себя скорее как настоящий шар, чем как волна. Она теряет часть квантового поведения, которое позволило бы ей менять состояние, и на практике поле остается зафиксированным в выбранном им состоянии.

В исследовании также отмечается, что декогеренция, необходимая для устранения интерференции между вакуумами, практически не меняет вероятность попадания в тот или иной вакуум. Она лишь фиксирует результат. Исследователи называют этот стабилизирующий эффект « космической блокировкой» .

Это связано с квантовым эффектом Зенона, при котором частые взаимодействия могут остановить изменение состояния квантовой системы. Название происходит от Зенона Элейского, греческого философа V века до н.э., который утверждал, что летящая стрела неподвижна в каждый момент времени и, следовательно, никогда не движется. В 1977 году физики Байджанат Мисра и Джордж Сударшан перенесли этот парадокс в квантовую механику, придя к аналогичному выводу: система, за которой наблюдают без перерыва, не эволюционирует.

Носители английского языка сказали бы, что «наблюдаемый горшок никогда не закипит», с одним важным отличием. Сознательный наблюдатель не требуется. Сама окружающая среда постоянно взаимодействует с полем и играет роль наблюдателя.

Следует отметить один важный момент. Результаты не доказывают, что поле Хиггса защищено космической блокировкой. Они указывают на возможный механизм, который может помочь стабилизировать поля во Вселенной. Уандс формулирует это условно: если бы нечто подобное имело значение в более реалистичных космологических ситуациях, это могло бы помочь стабилизировать поле, уже находящееся в ложном вакууме, но для выяснения того, насколько это применимо к полю Хиггса, потребуются более реалистичные модели.

Под статьей подписались Робсон Кристи, Джеву Джу и Дэвид Уэндс из Портсмута; Грег Капланек из Сиракуз; и Винсент Веннин, научный сотрудник CNRS в Высшей нормальной школе в Париже. Веннин хорошо знаком с Портсмутом, поскольку работал там в качестве постдокторанта, прежде чем присоединиться к CNRS в 2017 году. Его специализация — стохастическая инфляция, метод описания квантовых полей в расширяющейся Вселенной.

На данный момент космическая изоляция — это механизм, работающий в рамках намеренно упрощенной модели. Произошло ли что-либо подобное с полем Хиггса или с другими полями в реальной Вселенной, авторы не утверждают, что доказали. Этот вопрос теперь переходит к более полным моделям.