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.

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.