1430
Теоретики давно непокояться, що наш Всесвіт може бути не таким стабільним, як хотілося б. Квантова теорія поля описує невидимі поля, які заповнюють простір і через коливання породжують частинки та матерію. Ці поля прагнуть до найнижчого можливого рівня енергії, але деякі з них, зокрема поле Гіггса, можуть нині перебувати не в найглибшій «ямі», а в так званому хибному вакуумі.
У новій роботі, опублікованій в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, команда з Університету Портсмута у Великій Британії описує результати моделювання, які свідчать: квантові поля можуть бути фактично «заблоковані» у своїх поточних станах. Це допомагає пояснити, чому Всесвіт залишається стабільним, попри теоретичну можливість раптового переходу в інший стан через квантове тунелювання. Про дослідження розповідає матеріал ScienceAlert.
Хибний вакуум і загроза квантового тунелювання
За уявленням фізиків, енергетичний ландшафт квантового поля можна порівняти з нерівною поверхнею з долинами різної глибини. Система прагне опинитися в найглибшій долині — стані істинного вакууму. Однак деякі поля, як-от поле Гіггса, можуть зараз «сидіти» у вищій, метастабільній долині — хибному вакуумі.
За словами фізика Робсона Крісті (Robson Christie) з Університету Портсмута, перехід у глибший мінімум означав би радикально інший стан Всесвіту, де змінилися б структура матерії та сили, що її визначають. Теоретично квантове тунелювання дозволяє полю «перестрибнути» через бар’єр між долинами без попередження, що й породжує тривогу щодо довготривалої стабільності космосу.
Як працює модель «космічного локдауну»
Щоб дослідити цю проблему, науковці побудували математичну модель розширюваного Всесвіту, у якій відстежували поведінку квантових полів та їхню взаємодію одне з одним. У спрощеному вигляді це виглядало як система нерівних долин, що відповідають різним енергетичним станам.
Ключовим елементом моделі стало розглядання одного поля, оточеного іншими полями, тобто «середовищем». Це пов’язано з поняттям декогеренції у квантових обчисленнях, коли крихкі квантові стани руйнуються через взаємодію з навколишнім середовищем.
Комп’ютерний науковець Грег Капланек (Greg Kaplanek) з Університету Сіракуз нагадує, що ідеальна ізоляція — лише абстракція: навіть у квантових комп’ютерах слабкі взаємодії з оточенням швидко змінюють квантовий стан. Подібна ситуація, за його словами, має місце й у космології — поле ніколи не існує повністю окремо.
Аналіз моделі показав, що навколишні поля можуть обмежувати квантові ефекти, зокрема катастрофічне тунелювання між енергетичними долинами. Дослідники назвали це явище «космічним локдауном»: стрибки між долинами стають сильно пригніченими, хоча й не абсолютно неможливими.
Роль маси поля та розширення Всесвіту
Ще один результат моделювання стосується співвідношення між масою квантового поля та швидкістю розширення Всесвіту, яку задає масштаб Габбла. Від цього залежить, у яку саме долину — істинного чи хибного вакууму — поле потрапляє спочатку.
Як пояснює Крісті, якщо поле «важке» порівняно з масштабом Габбла, воно здатне швидко підлаштовуватися під зміни під час розширення Всесвіту і з великою ймовірністю опиняється в істинному вакуумі, тобто в найглибшому мінімумі енергії. Якщо ж розширення відбувається надто швидко щодо внутрішньої динаміки поля, система не встигає за змінами, і тоді зберігається значна ймовірність того, що поле залишиться у хибному вакуумі.
Форма енергії поля Гіггса часто зображається як «сомбреро»: найвища точка в центрі та кільце нижчих долин по краю. Саме в цих долинах, на «краю капелюха», і розташовується поле, але не обов’язково в найглибшій з них.
Паралель з квантовим ефектом Зенона
Автори роботи порівнюють знайдений механізм із квантовим ефектом Зенона. Згідно з ним, система не змінює свій стан, якщо її постійно «вимірювати» або спостерігати. У моделі роль такого безперервного «спостереження» відіграють взаємодії між квантовими полями, які перешкоджають переходу в інший енергетичний мінімум.
Це означає, що, принаймні в рамках запропонованої моделі, ми можемо дещо спокійніше ставитися до перспективи раптового руйнування нашого вакууму. Водночас самі дослідники наголошують: потрібні складніші моделі, щоб перевірити, наскільки цей механізм працює в реалістичних космологічних умовах і для конкретних полів, таких як поле Гіггса.
Космолог Девід Вандс (David Wands) з Університету Портсмута зазначає, що подібний механізм потенційно міг би стабілізувати поле, яке вже перебуває в хибному вакуумі. Однак, щоб з’ясувати, чи справді це стосується поля Гіггса, необхідні більш реалістичні описи раннього Всесвіту та його квантових полів.
Робота опублікована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics і додає ще одну ланку до розуміння того, чому наш Всесвіт, попри квантову невизначеність, виглядає таким стабільним у космічних масштабах часу.
Модель показує як квантове явище утримує Всесвіт стабільним з’явилася спочатку на Цікавості.
