Физики нашли, что удерживает Вселенную от катастрофы

В фундаментальной физике существует глубокое беспокойство: Вселенная может быть не такой стабильной, как нам хотелось бы. Квантовая теория поля описывает невидимые квантовые поля повсюду вокруг нас, порождающие субатомные колебания, которые проявляются как частицы и материя. Эти поля стремятся найти состояние с наименьшей возможной энергией, как шарик, оседающий на дне чаши. И некоторые поля могут иметь более низкое состояние, чем то, в котором они находятся сейчас.

В новом исследовании, опубликованном в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, группа под руководством учёных из Портсмутского университета в Великобритании описывает утешительные открытия, позволяющие предположить, что квантовые поля могут эффективно блокироваться на месте. Это могло бы помочь объяснить, почему Вселенная остаётся стабильной.

В чём проблема

Выводы касаются опасений, что посредством эффекта, известного как квантовое туннелирование, поля могут менять состояния без предупреждения. Поле Хиггса, которое даёт массу частицам, включая электроны, — одно из полей, которые, по мнению учёных, могут находиться в «ложном вакууме».

«В принципе, переход к этому более глубокому минимуму перевёл бы Вселенную в радикально иное состояние, в котором структура материи и силы, управляющие ею, изменились бы», — говорит физик Робсон Кристи из Портсмутского университета.

Что сделали исследователи

Они построили математическую модель Вселенной в процессе расширения, отслеживая поведение квантовых полей при их взаимодействии друг с другом. По сути, это была упрощённая симуляция неравных впадин, представляющих энергетические состояния.

Ключевым для модели было устройство одного поля, окружённого другими полями — окружающей средой. Это связано с концепцией декогеренции в квантовых вычислениях, где тонкие квантовые системы могут быть выбиты из строя помехами из окружающей среды.

«Идеальная изоляция — это идеализация, — говорит специалист по информатике Грег Капланек из Сиракузского университета в Нью-Йорке. — Подумайте, например, о квантовых компьютерах: мы идём на огромные усилия, чтобы защитить квантовую информацию, хранящуюся в этих машинах, от окружающей среды, потому что даже слабые взаимодействия с ней могут быстро изменить квантовое состояние. Нечто подобное происходит и в космологии: поле никогда не бывает действительно одиноким».

Что показала модель

Подобно тому, как окружающая среда может вызывать декогеренцию и потерю квантовых эффектов в компьютерах, окружающие поля также могут ограничивать возможность квантовых эффектов — катастрофического туннелирования — в квантовых полях, определили исследователи из своей модели. Команда называет это «космической блокировкой». Это означает, что скачки между впадинами, которых опасались физики, могут быть сильно подавлены, хотя и не невозможны.

Анализ модели также показал, что масса квантового поля по отношению к скорости расширения Вселенной (масштабу Хаббла) влияет на то, в какой впадине поле оказывается изначально.

«Поле, тяжёлое по сравнению с масштабом Хаббла, может быстро приспосабливаться к изменениям по мере расширения Вселенной, и в этом случае оно с высокой вероятностью движется к истинному вакууму, самому глубокому энергетическому минимуму, — говорит Кристи. — Если расширение слишком быстрое по сравнению с динамикой поля, система не успевает за изменениями. В этом случае может сохраняться значительная вероятность того, что поле также окажется в ложном вакууме».

Связь с эффектом Зенона

Исследователи сравнивают это с другим известным явлением — квантовым эффектом Зенона, который, по сути, утверждает, что система не меняет состояние, когда её начинают измерять или наблюдать. Именно это и делают здесь взаимодействия квантовых полей.

Возможно, нам стоит немного успокоиться относительно судьбы Вселенной. Хотя исследователи признают, что для дальнейшей проверки этой идеи и анализа реальных квантовых полей, таких как поле Хиггса, нужны более сложные модели.

«Если бы механизм такого рода был актуален в более реалистичных космологических ситуациях, он мог бы помочь стабилизировать поле, уже находящееся в ложном вакууме, но понимание того, насколько это применимо к полю Хиггса, потребует более реалистичных моделей», — говорит космолог Дэвид Уондс из Портсмутского университета.