Физики смоделировали распад ложного вакуума, который может привести к концу света

Китайские физики провели лабораторный эксперимент, в котором исследовали распад ложного вакуума. Теоретически это явление может привести к концу света — внезапному коллапсу Вселенной. Опыты ставили в Университете Цинхуа в Пекине, их результатами исследователи поделились на страницах Physical Review Letters.

Проведен эксперимент с явлением, которое может вызвать конец света

Фундаментальная физика микромира (то есть таких масштабов, где гравитацией можно пренебречь) зиждется на квантовой теории поля. Она предсказывает, что идеального вакуума не существует: пустое пространство — на самом деле просто состояние с наименьшей энергией непрерывного квантового поля. Поскольку квантовое поле может обладать несколькими локальными минимумами энергии, кажущееся стабильным локальное состояние может не быть самым стабильным из возможных для поля в целом — от еще более устойчивого состояния его отделяет энергетический барьер. Это «метастабильное» состояние, известное как ложный вакуум, может преодолеть барьер, отделяющий его от истинного вакуума, с помощью квантового туннелирования, которое позволяет провести переход без каких-либо затрат энергии.

В 1970-х годах американский физик-теоретик Сидни Коулман предположил, что Вселенная может существовать в таком ложном вакууме. Если так, то распад ложного вакуума привел бы к ее мгновенному коллапсу в истинный вакуум.

«Хотя мы не можем проверить эту теорию в масштабах Вселенной, недавнее развитие высокоуправляемых квантовых симуляторов позволяет нам воссоздать и изучить эти драматические туннельные события в настольных экспериментах», — объясняет соавтор работы Мэн Кхун Теей с факультета физики Цинхуа.

Кольцо из «распухших» атомов

В опытах экспериментаторы использовали ридберговские атомы — атомы, у которых внешние электроны приведены в высоковозбужденное состояние. Эти электроны удаляются на большое расстояние от ядер, что делает такие атомы очень чувствительными к внешним полям — и, как следствие, подходящими для управляемых квантовых симуляций.

Исследователи расположили взаимно отталкивающихся ридберговских атомов рубидия в кольцо. В такой структуре спиновое состояние каждого атома стремится ориентироваться противоположно спинам двух его соседей, образуя упорядоченную чередующуюся конфигурацию из состояний «вверх» и «вниз». Из-за симметрии системы оба возможных порядка — «вверх-вниз-вверх-вниз» и «вниз-вверх-вниз-вверх» — обладают одинаковой энергией и потому одинаково стабильны.

Чтобы смоделировать ложный вакуум, физики намеренно нарушили эту симметрию с помощью лазера, так что кольцо могло существовать в двух возможных конфигурациях с немного разными энергетическими состояниями — имитируя состояния истинного и ложного вакуума.

«Подсвечивая атомы через один с помощью точно нацеленных лазерных лучей, мы сконструировали индивидуальный энергетический ландшафт с отчетливыми состояниями "ложного" и "истинного" вакуума, что позволило нам наблюдать процесс квантового туннелирования в реальном времени», — рассказывает Тей.

Измерив скорость распада чередующегося порядка, ученые убедились, что с усилением нарушающего симметрию поля она, как и предсказывает теория, экспоненциально растет. Чтобы ложный вакуум перешел в истинный, должен сначала образоваться «пузырек» — локально преобразованная область, достаточно большая, чтобы скомпенсировать энергию разрушения исходного порядка. Более сильное поле, нарушающее симметрию, уменьшает требуемый размер этого пузырька, а значит, для коллективного туннелирования нужно меньше атомов. То есть процесс распада становится более вероятным.

А что по поводу конца света?

Помимо кратковременной динамики, напоминающей распад ложного вакуума, авторы понаблюдали также долговременное поведение и обнаружили, что при определенных напряженностях поля распад резко ускорялся — это особенность дискретных квантовых систем, у которой нет аналога в непрерывных квантовых полях. Это различие открывает путь к изучению более широкого круга физических явлений, а не только классического распада ложного вакуума.

А про конец света можно не переживать — его вероятность в результате распада ложного вакуума даже в теории блика к нулю.