Вселенная, кажется, застыла на месте из-за странного квантового явления

Фото из открытых источников

В основе фундаментальных законов физики существования лежит глубокая тревога: Вселенная может быть не настолько стабильной, как нам бы хотелось в идеале.

Квантовая теория поля описывает невидимые квантовые поля, окружающие нас повсюду, которые порождают субатомные колебания, проявляющиеся в виде частиц и материи.

Эти поля, как правило, стремятся к наименьшему возможному энергетическому состоянию, подобно шарику, оседающему на дне чаши, — и некоторым полям, возможно, еще предстоит достичь более низких значений энергии, чем текущее.

В новом исследовании, опубликованном в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, исследователи из Университета Портсмута в Великобритании подробно описывают некоторые обнадеживающие открытия, которые предполагают, что квантовые поля могут фактически фиксироваться на месте, что может помочь объяснить, почему Вселенная остается стабильной.

Полученные результаты развеивают опасения, что посредством эффекта, известного как квантовое туннелирование, поля могут изменять свои состояния без предупреждения. Поле Хиггса, которое придает массу частицам, включая электроны, — это одно из полей, которое, по мнению ученых, может находиться в «ложном вакууме».

«В принципе, переход к этому более глубокому минимуму привел бы Вселенную в совершенно иное состояние, в котором структура материи и управляющие ею силы изменились бы», — говорит физик Робсон Кристи из Университета Портсмута.

Исследователи создали математическую модель расширения Вселенной, отслеживающую поведение квантовых полей при их взаимодействии друг с другом. По сути, это была упрощенная симуляция неравных долин, представляющих энергетические состояния.

Ключевым моментом модели было создание одного поля, окруженного другими полями – окружающей средой. Это связано с концепцией декогеренции в квантовых вычислениях, где чувствительные квантовые системы могут быть выведены из строя из-за помех со стороны окружающей среды.

«Идеальная изоляция — это идеализация», — говорит специалист по информатике Грег Капланек из Сиракузского университета в Нью-Йорке. «Возьмем, к примеру, квантовые компьютеры : мы прилагаем огромные усилия, чтобы защитить квантовую информацию, хранящуюся в этих машинах, от воздействия окружающей среды, потому что даже слабые взаимодействия с ней могут быстро изменить квантовое состояние. В космологии происходит нечто подобное: ни одна область науки никогда не бывает по-настоящему одинокой».

Подобно тому, как окружающая среда может вызывать декогеренцию и потерю квантовых эффектов в компьютерах, окружающие поля также могут ограничивать возможность квантовых эффектов (катастрофического туннельного поведения) в квантовых полях, как установили исследователи на основе своей модели.

Исследовательская группа называет это «космической блокировкой», и это означает, что скачки между долинами, которых опасались физики, могут быть значительно подавлены, хотя и не исключены.

Анализ модели также показал, что масса квантового поля по отношению к скорости расширения Вселенной (масштаб Хаббла) влияет на то, в какой области изначально находится это поле.

«Поле, значительно превышающее масштаб Хаббла, может быстро адаптироваться к изменениям по мере расширения Вселенной, и в данном случае весьма вероятно его движение к истинному вакууму, к самому глубокому минимуму энергии», — говорит Кристи. «Если расширение происходит слишком быстро по сравнению с динамикой поля, система не может угнаться за изменениями. В этом случае сохраняется значительная вероятность того, что поле также окажется в ложном вакууме».

Исследователи сравнивают это с другим известным явлением — квантовым эффектом Зенона, который, по сути, утверждает, что система не меняет своего состояния, когда её начинают измерять или отслеживать, — что и происходит в данном случае при взаимодействии квантовых полей.

Возможно, теперь мы можем немного успокоиться, когда речь заходит о судьбе Вселенной, хотя исследователи признают, что для дальнейшего изучения этой идеи и анализа реальных квантовых полей, таких как поле Хиггса, необходимы более сложные модели.

«Если бы подобный механизм был актуален в более реалистичных космологических ситуациях, он мог бы помочь стабилизировать поле, которое уже находится в ложном вакууме, но для понимания того, насколько это применимо к полю Хиггса, потребуются более реалистичные модели», — говорит космолог Дэвид Уэндс из Университета Портсмута.