Учёные обнаружили странный квантовый эффект, который может защищать Вселенную от катастрофы

Вселенная может находиться в нестабильном состоянии, из которого теоретически способна внезапно перейти в совершенно другое. Такой переход изменил бы структуру материи и управляющие ею физические силы. Однако новое исследование показало, что необычный квантовый эффект может препятствовать подобной катастрофе, фактически удерживая Вселенную в её нынешнем состоянии.

К такому выводу пришли физики под руководством специалистов Портсмутского университета в Великобритании. Результаты их работы опубликованы в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Проблема связана с фундаментальными принципами квантовой теории поля. Согласно этой теории, всё пространство пронизано невидимыми квантовыми полями, колебания которых проявляются в виде элементарных частиц и материи.

Такие поля стремятся занять состояние с минимально возможной энергией. Этот процесс можно сравнить с шариком, скатывающимся на дно чаши: оказавшись в самой низкой точке, он достигает устойчивого положения.

Однако энергетический рельеф квантового поля может быть гораздо сложнее. Вместо одной впадины в нём могут существовать несколько углублений разной глубины.

Поле способно оказаться в одной из таких впадин, хотя где-то существует ещё более глубокая. В этом случае оно находится в состоянии так называемого ложного вакуума — относительно устойчивом положении, которое не соответствует абсолютному минимуму энергии.

Один из возможных примеров — поле Хиггса, благодаря которому некоторые элементарные частицы, включая электроны, обладают массой. Физики допускают, что оно может находиться именно в ложном вакууме.

Опасность заключается в квантовом туннелировании. Благодаря этому явлению поле теоретически способно перейти из одного энергетического состояния в другое, даже если между ними существует барьер, который нельзя преодолеть обычным способом.

Если поле Хиггса действительно находится в ложном вакууме, подобный переход мог бы иметь радикальные последствия.

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

Чтобы выяснить, насколько вероятен такой сценарий, исследователи построили математическую модель расширяющейся Вселенной. С её помощью они изучали поведение квантовых полей и влияние их взаимодействий друг на друга.

В модели различные энергетические состояния изображались как впадины неодинаковой глубины. Учёные отслеживали, в какой из них оказывается поле и при каких условиях оно способно перейти в другую.

Ключевым элементом исследования стало окружение квантового поля. Вместо того чтобы рассматривать его изолированно, физики учли взаимодействия с другими полями, которые присутствуют вокруг.

Именно здесь обнаружилась неожиданная связь с проблемой, хорошо известной разработчикам квантовых компьютеров.

Квантовые системы чрезвычайно чувствительны к воздействию окружающей среды. Даже слабые внешние взаимодействия способны изменить их состояние и вызвать потерю характерных квантовых свойств. Этот процесс называется декогеренцией.

Поэтому при создании квантовых компьютеров инженерам приходится прикладывать огромные усилия, чтобы изолировать хранящуюся в них квантовую информацию от внешних воздействий.

«Идеальная изоляция — это лишь упрощённое представление. Вспомните квантовые компьютеры: мы прилагаем огромные усилия, чтобы защитить хранящуюся в них квантовую информацию от окружающей среды, поскольку даже слабые взаимодействия с ней способны быстро изменить квантовое состояние», — объясняет специалист по информатике Грег Капланек из Сиракузского университета в Нью-Йорке.

По его словам, нечто похожее происходит и в космологии: ни одно квантовое поле не существует полностью изолированно.

Моделирование показало, что взаимодействия с окружающими полями способны подавлять квантовые эффекты, позволяющие полю туннелировать между энергетическими состояниями.

Исследователи назвали этот механизм «космической блокировкой».

Его суть заключается в том, что окружающая квантовая среда может удерживать поле в определённой энергетической впадине, резко уменьшая вероятность перехода в другую. Полностью исключить туннелирование такой механизм не позволяет, но способен существенно его ограничить.

Это означает, что даже находящееся в ложном вакууме поле необязательно должно быстро перейти в состояние с более низкой энергией.

Учёные обнаружили и другой важный фактор, влияющий на поведение полей, — соотношение их массы и скорости расширения Вселенной.

Для оценки последней в модели использовался масштаб Хаббла, характеризующий космическое расширение.

Если поле достаточно тяжёлое относительно этого масштаба, оно способно быстро приспосабливаться к изменениям, происходящим по мере расширения пространства.

«Поле, которое является тяжёлым по сравнению с масштабом Хаббла, может быстро подстраиваться под изменения при расширении Вселенной. В этом случае оно с высокой вероятностью будет двигаться к истинному вакууму — самому глубокому энергетическому минимуму», — объясняет Кристи.

Но если Вселенная расширяется слишком быстро относительно характерной динамики поля, ситуация меняется.

Поле уже не успевает подстраиваться под происходящие изменения. В результате сохраняется значительная вероятность того, что оно останется в ложном вакууме, даже если существует энергетически более выгодное состояние.

Исследователи сравнивают обнаруженный механизм с квантовым эффектом Зенона. Это известное явление, при котором многократные измерения или наблюдения за квантовой системой могут препятствовать изменению её состояния.

В новой модели роль такого постоянного воздействия выполняют взаимодействия между окружающими квантовыми полями.

Получается необычная ситуация: взаимодействия, которые в одних условиях нарушают квантовое состояние системы, в других могут препятствовать переходу поля в потенциально опасное состояние.

Именно поэтому учёные предполагают, что «космическая блокировка» может быть одним из механизмов, обеспечивающих долговременную устойчивость Вселенной.

Однако пока речь идёт о результатах математического моделирования, а не о доказательстве того, что подобный механизм действительно защищает нашу Вселенную.

Авторы подчёркивают, что использовали упрощённую модель. Для проверки идеи необходимо создать более реалистичные описания космологических процессов и отдельно исследовать поведение конкретных квантовых полей, прежде всего поля Хиггса.

«Если подобный механизм окажется значимым в более реалистичных космологических условиях, он сможет помогать стабилизировать поле, уже находящееся в ложном вакууме. Но чтобы понять, насколько это применимо к полю Хиггса, потребуются более реалистичные модели», — отмечает космолог Дэвид Уондс из Портсмутского университета.

Таким образом, новое исследование предлагает возможный ответ на один из фундаментальных вопросов физики: почему квантовые поля могут сохранять своё состояние, даже если оно не является энергетически наиболее устойчивым.

Возможно, причина заключается не в отсутствии более глубокого энергетического минимума, а в постоянном взаимодействии полей, которое препятствует переходу к нему.

Если дальнейшие исследования подтвердят эту гипотезу, странный квантовый эффект поможет объяснить, почему Вселенная сохраняет привычную нам структуру, несмотря на теоретическую возможность радикальных изменений.