Квантовый процесс, способный уничтожить Вселенную: физики впервые смоделировали ложный распад вакуума в лаборатории

Китайские исследователи построили кольцо из атомов ридберга, которое имитирует переход пространства в состояние с более низкой энергией — теоретический сценарий, при котором наш мир перестанет существовать за доли секунды

Представление о вакууме как о пустоте физики опровергли давно. Квантовая теория поля утверждает: то, что мы называем вакуумом, — это состояние квантового поля с самой низкой энергией. Но «самой низкой» ли?

Существует гипотеза, что наш вакуум — ложный. То есть где-то в природе существует состояние с ещё более низкой энергией, более стабильное. Если крошечный пузырёк пространства перейдёт в это состояние, он начнёт расширяться со скоростью света, перезаписывая физику по мере движения. Никакой сигнал тревоги не успеет долететь. Никто ничего не заметит — потому что наблюдателей просто не останется.

Это называется ложным распадом вакуума.

Мост между двумя физиками

Проблема ложного распада вакуума находится на стыке квантовой теории и теории относительности — двух столпов современной физики, которые никак не хотят объединяться в единую теорию. Квантовая теория хорошо описывает микромир. Относительность — космос и высокие скорости.

Ложный распад вакуума требует и того и другого. Начальный переход в более низкое энергетическое состояние — квантовый процесс. Разрастание пузыря до размеров Вселенной — релятивистский эффект. Ни одна из теорий по отдельности не может описать процесс полностью.

Атомы, надутые энергией

Команда физиков под руководством исследователей из Университета Цинхуа в Пекине построила модель ложного распада вакуума в лаборатории. Вместо космического вакуума они использовали кольцо из атомов ридберга.

Атом ридберга получается, когда в атом вкачивают много энергии, но он при этом не теряет электроны. В обычном состоянии электронное облако сжато вокруг ядра. В ридберговском — распухает до микронов. Это огромно для атома. Электроны едва держатся на своих орбитах.

Исследователи расположили чётное количество взаимно отталкивающихся ридберговских атомов в кольцо. В такой конфигурации каждый атом выстраивает свой спин противоположно соседним. Получается симметричный чередующийся узор.

Затем они возбудили атомы лазерами, нарушив симметрию. Кольцо перешло в состояние, где могли существовать два разных узора с немного разными энергетическими уровнями. Один из них соответствовал ложному вакууму, другой — истинному.

Кольцо начинало «распадаться» в сторону предпочтительного основного состояния. Скорость распада зависела от мощности нарушающего симметрию лазера.

Что это значит

Эксперимент подтвердил теоретические предсказания о том, как работает ложный распад вакуума, но не сказал, находится ли наш реальный космический вакуум в безопасном состоянии. Это всего лишь модель. Атомное кольцо — не Вселенная.

Теперь у физиков есть новая лабораторная площадка для изучения того, как самый страшный квантовый процесс во Вселенной — тот, который может уничтожить саму ткань реальности, — будет протекать в деталях. Группа китайских учёных открыла ящик, в котором лежит билет в один конец. Пока что они изучили только его конверт.

Физики не исключают, что ложный распад вакуума возможен. Когда это может произойти — через минуту, через миллиард лет или никогда, — никто не знает. И успеет ли кто-нибудь это заметить до того, как исчезнет, — тоже.