Всесвіт може бути не таким стабільним, як здається: що з'ясували фізики

Всесвіт може бути не таким стабільним, як здається. Згідно з теорією квантових полів, деякі з них, зокрема поле Гіггса, можуть перебувати не в найстабільнішому енергетичному стані, повідомляє Science Alert. 

Теоретично це створює можливість переходу до іншого стану, який радикально змінив би властивості матерії. Однак нове дослідження фізиків з Університету Портсмута у Великій Британії пропонує механізм, який може пригнічувати такі переходи та допомагати пояснити стабільність Всесвіту.

Результати дослідження опублікували в науковому журналі Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Автори назвали запропонований механізм «космічним блокуванням» (cosmic lockdown).

Чому фізики говорять про нестабільність Всесвіту

В основі сучасної фізики лежить теорія квантових полів. Вона описує фундаментальні поля, які існують у просторі, а частинки розглядає як збудження цих полів.

Кожне поле може мати різні енергетичні стани. Зазвичай система прагне перейти до стану з найменшою можливою енергією - приблизно так, як кулька скочується на дно заглиблення.

Але є нюанс: поле може перебувати в локальному мінімумі енергії, який не є найнижчим із можливих. Такий стан називають хибним вакуумом. Він може здаватися стабільним, хоча теоретично існує інший, енергетично вигідніший стан — істинний вакуум.

Перехід між ними може відбутися через квантове тунелювання. Це явище, за якого квантова система здатна перейти крізь енергетичний бар'єр, навіть якщо класична фізика не передбачає такого переходу.

Якби фундаментальні поля Всесвіту перейшли в інший вакуумний стан, фізичні властивості матерії та сили, які керують її взаємодією, могли б змінитися радикально.

Водночас це теоретична можливість, а не прогноз неминучої космічної катастрофи.

Що таке хибний вакуум і до чого тут поле Гіггса

Підписуйтеся на наші соцмережі

Одним із полів, для яких фізики розглядають сценарій метастабільності, є поле Гіггса. Воно пов'язане з механізмом, завдяки якому елементарні частинки, зокрема електрони, отримують масу.

Згідно з деякими теоретичними розрахунками, параметри поля Гіггса можуть відповідати метастабільному стану. Це означає, що нинішній стан поля потенційно не є абсолютно найстабільнішим.

Однак між математичною можливістю та реальною загрозою існує велика різниця. Навіть якщо перехід до іншого стану фізично можливий, його ймовірність і умови виникнення залежать від параметрів квантових полів та еволюції Всесвіту.

Нове дослідження не доводить, що поле Гіггса обов'язково перебуває в хибному вакуумі, і не встановлює, що такий перехід має відбутися. Натомість воно досліджує механізм, який за певних умов може пригнічувати квантові переходи.

Як працює «космічне блокування»

Дослідники створили математичну модель Всесвіту, що розширюється, і простежили, як квантові поля взаємодіють між собою.

Ключовою особливістю моделі було те, що поле не розглядали ізольовано. Навколо нього перебували інші поля, які утворювали своєрідне середовище.

Саме ці взаємодії можуть впливати на здатність поля переходити між енергетичними станами. За результатами моделювання, оточення здатне суттєво пригнічувати квантове тунелювання, зменшуючи ймовірність переходу з одного енергетичного мінімуму в інший.

Автори назвали цей ефект «космічним блокуванням». Ідеться не про абсолютну заборону переходів, а про механізм, який за певних умов може робити їх значно менш імовірними.

Комп'ютерний науковець Грег Капланек із Сиракузького університету пояснює, що повна ізоляція квантової системи є радше ідеалізацією, ніж реальністю.

Подібна проблема виникає в квантових комп'ютерах. Щоб зберегти квантову інформацію, дослідники намагаються максимально захистити системи від зовнішніх впливів. Навіть слабка взаємодія з оточенням може змінити їхній квантовий стан.

У космології ситуація має певну аналогію: квантове поле також не існує у повній ізоляції від інших полів.

Як розширення Всесвіту впливає на квантові поля

У дослідженні важливу роль відіграє співвідношення маси квантового поля та масштабу Габбла — величини, яка характеризує темп розширення Всесвіту. Залежно від цього співвідношення поле може по-різному реагувати на зміну космологічних умов.

Якщо поле є важким порівняно з масштабом Габбла, воно може швидко пристосовуватися до змін у процесі розширення Всесвіту. За таких умов система має більше можливостей перейти до найнижчого енергетичного стану.

Якщо ж Всесвіт розширюється надто швидко порівняно з динамікою поля, воно може не встигати за змінами. Тоді зберігається ймовірність того, що поле залишиться в хибному вакуумі.

За словами Робсона Крісті, саме взаємодія між динамікою поля та розширенням Всесвіту може визначати, в якому енергетичному стані воно опиниться.

Це означає, що для розуміння стабільності Всесвіту недостатньо знати лише властивості окремого квантового поля. Важливо також враховувати його взаємодію з оточенням і загальну еволюцію космосу.

До чого тут квантовий ефект Зенона

Механізм, який описують дослідники, має певну схожість із квантовим ефектом Зенона. У спрощеному вигляді цей ефект описує ситуацію, коли часті вимірювання квантової системи можуть стримувати її перехід в інший стан. У новій моделі роль зовнішнього впливу відіграють взаємодії квантового поля з іншими полями.

Проте це не означає, що Всесвіт буквально спостерігає за самим собою. Йдеться про фізичний механізм, пов'язаний із взаємодією квантових систем та їхнього середовища.

Якщо цей механізм працює і в реалістичних космологічних умовах, він може допомогти пояснити, чому певні поля залишаються в метастабільному стані, а потенційно небезпечні переходи не відбуваються часто.

Чи доводить дослідження, що Всесвіт стабільний

Автори досліджували математичну модель, а не спостерігали безпосередньо за переходами поля Гіггса у Всесвіті.

Космолог Девід Вандс з Університету Портсмута наголошує, що для перевірки застосовності запропонованого механізму потрібні реалістичніші моделі. Зокрема, необхідно з'ясувати, наскільки він може впливати на поле Гіггса та інші квантові поля за умов, що відповідають реальній еволюції Всесвіту.

Отже, дослідження не скасовує теоретичної можливості переходу до іншого вакуумного стану. Воно пропонує пояснення того, як взаємодії між квантовими полями можуть зменшувати ймовірність таких переходів.

Поки що «космічне блокування» залишається теоретичним механізмом, який потребує подальшого вивчення. Його значення полягає в тому, що він допомагає дослідникам краще зрозуміти, як квантові процеси та розширення Всесвіту можуть разом впливати на стабільність фундаментальних полів.