Ученые заявили, что из-за распада ложного вакуума Вселенная может быть разрушена.
Впервые получены доказательства распада ложного вакуума
Недавно некоторые СМИ сообщили, что ученые впервые наблюдали распад ложного вакуума. Ученые заявили, что из-за распада ложного вакуума Вселенная может быть разрушена. Ученые считают, что Вселенная может быть разрушена с помощью распада ложного вакуума, который находится в космическом пространстве.
Ученые показали на видео процесс разрушения Вселенной из-за распада вакуума
На канале Kurzgesagt ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума. Пузырь истинного вакуума расширяется внутри пузыря ложного вакуума в соответствии со специальной теорией относительности, не быстрее скорости света, и уничтожает всю материю первоначального мира. Британские ученые впервые воспроизвели процесс распада ложного вакуума с помощью квантового симулятора. • Распад ложного вакуума может произойти из-за квантового туннелирования или катастрофического события. Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью.
Дыра в ткани реальности, в теории, может уничтожить Вселенную
Вселенная может остыть до такой степени, что в ней попросту ничего не сможет выжить, или она внезапно коллапсирует. Однако ни один из этих гипотетических концов всего не так умопомрачителен, как распад вакуума. При этом жутком сценарии где-то во Вселенной должен появиться пузырек. Законы физики внутри него в корне отличаются от тех, что царят снаружи. Пузырь расширяется со скоростью света, в итоге поглощая всю Вселенную. Галактики разлетаются, атомы не могут удерживать свои компоненты, а взаимодействия частиц меняются на фундаментальном уровне. Какую бы форму Вселенная ни приняла впоследствии, она определенно станет непригодной для жизни человека.
Как такое может быть Чтобы понять, что такое распад вакуума, сначала следует разобраться, что такое вакуумное состояние. У большинства людей слово «вакуум» ассоциируется с открытым космосом и другими областями, в которых нет материи. Однако открытый космос, на самом деле, не пустой. Напротив, в нем есть флуктуирующие квантовые поля, производящие частицы, которые отвечают за фундаментальные законы физики во Вселенной. Когда это пространство достигает минимального энергетического уровня, говорят, что оно находится в вакуумном состоянии. Тем не менее эти квантовые поля, несмотря ни на что, продолжают работу, удерживая таким образом ткань реальности от разрушения.
Нам известны 17 частиц, которые появляются при возмущении квантовых полей — или, другими словами, когда квантовое поле получает энергию.
Однако физиков это не остановило. В ноябре 2009 года на ускорителе БАК произвели первые столкновения протонов высокой энергии. Из того, что жизнь на этой планете все еще существует, следует, что ни одна из предполагаемых катастроф так и не произошла. Если вы все еще волнуетесь, можете отслеживать ситуацию в режиме реального времени на сайте: www. Был ли этот эксперимент оправдан, учитывая потенциальные риски? Физиков нельзя назвать самыми осторожными людьми, однако изучение сценариев типа «что, если» — это наш хлеб насущный, кроме того, возможность глубоко подумать о реальной физике, стоящей за гипотетической вероятностью всеобщего уничтожения, было бы очень жаль упускать. RHIC The Relativistic Heavy Ion Collider — это релятивистский коллайдер тяжелых ионов, предшественник БАК, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который был предназначен для столкновения ядер тяжелых элементов вроде золота при высоких энергиях. Сам по себе этот новаторский эксперимент вызывал беспокойство по поводу непредвиденных последствий, которые могли представлять угрозу существованию планеты или Вселенной , и цель написания этой статьи заключалась в том, чтобы полностью исследовать и по возможности развеять эти опасения. Полученные результаты были обнадеживающими.
Основываясь на теоретических соображениях, исследователи оценили возможность создания странной материи или черных дыр как крайне маловероятную. Кроме того, их выводы подкреплялись и экспериментальными данными, а именно существованием Луны. Аргументация в пользу любого потенциально разрушительного явления, порожденного коллайдером, основывается на идее о том, что столкновения частиц такой высокой энергии настолько беспрецедентны, что мы не можем предугадать их последствий. Однако при этом игнорируется важный факт: несмотря на то что уровни энергии, достигаемые на RHIC и БАК, непривычны для нас, жалких людишек, космические лучи, путешествующие по Вселенной, постоянно их достигают и сталкиваются между собой и с другими объектами. На протяжении миллиардов лет по всей Вселенной происходили столкновения при гораздо более высоких энергиях, чем может обеспечить любой из наших коллайдеров, и если бы они могли привести к разрушению космоса, мы бы наверняка это заметили. Что если по всему космосу разбросаны скопления странной материи, а мы просто этого не знаем? Несмотря на то что в большинстве случаев частицы, произведенные в коллайдере, по нашему мнению, обладают остаточным импульсом, который позволяет им покинуть лабораторию сразу после возникновения, в ходе экспериментов мы вполне можем получить нечто опасное, способное задержаться в детекторе. Что тогда? К счастью, для исследования этих эффектов мы можем использовать Луну. Данные, полученные от наземных детекторов и космических телескопов, говорят о том, что высокоэнергетические космические лучи бомбардируют Луну постоянно.
На самом деле, благодаря радиотелескопам мы можем использовать Луну даже в качестве детектора нейтрино, что само по себе довольно здорово. Если бы столкновения частиц высоких энергий могли превратить обычное вещество в странную материю, это уже давно произошло бы на Луне, и сейчас в небе мы бы видели совершенно другой объект. Если бы на Луне образовалась крошечная черная дыра и поглотила ее, это также повлияло бы на вид ночного неба. Не говоря уже о том, что люди были на Луне, гуляли по поверхности, играли в гольф и привезли оттуда образцы грунта. Судя по всему, Луна прекрасно себя чувствует, поэтому авторы работы, посвященной RHIC, были уверены, что ускоритель не представляет для нас опасности. Правда, странная материя и черные дыры были не единственными сценариями апокалипсиса. Еще одно опасение, которое также удалось развеять путем наблюдения за высокоэнергетическими космическими лучами, заключалось в том, что столкновения частиц высоких энергий могут вызвать разрушительное для Вселенной квантовое событие под названием «распад вакуума». Эта идея основывается на гипотезе о том, что нашей Вселенной присуща некая фатальная нестабильность. Несмотря на то что такой сценарий может показаться пугающим, каким бы маловероятным он ни был, на момент ввода RHIC в эксплуатацию реальные доказательства существования такой нестабильности отсутствовали, поэтому данная возможность не рассматривалась всерьез. Однако все изменилось в 2012 году, когда с помощью ускорителя БАК был обнаружен бозон Хиггса.
Состояние Вселенной Вернейший способ заставить специалиста по физике элементарных частиц поморщиться — это назвать бозон Хиггса «частицей бога», как он известен широкой публике. Недовольство ученых по поводу этого высокопарного прозвища вызвано не только смешением науки и религии хотя некоторых именно это раздражает больше всего. Дело в том, что название «частица бога» ужасно неточное и, надо сказать, довольно дерзкое. Это не отменяет огромной важности бозона Хиггса для Стандартной модели физики элементарных частиц. Можно даже утверждать, что именно он является ключом к объединению всего остального. Однако центральную роль в работе физики элементарных частиц и в природе космоса играет поле Хиггса, а не частица. Если коротко, поле Хиггса представляет собой пронизывающее все пространство энергетическое поле, при взаимодействии с которым другие частицы обретают массу. Бозон Хиггса имеет такое же отношение к полю Хиггса, как фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия и света , к электромагнитному полю, — это локализованное «возбуждение» чего-то, что пронизывает обширное пространство. Более длинная версия этой истории имеет отношение к электрослабой теории, которая объединяет слабое взаимодействие с электричеством и магнетизмом, а также к разделению этих сил вследствие так называемого спонтанного нарушения симметрии. Здесь я вынуждена совершить над собой героическое усилие и вместо подробного описания квантовой теории поля ограничиться обсуждением нескольких ключевых вопросов.
Однако имейте в виду, что если вы решите изучить математику, стоящую за всем этим, вы увидите, что все намного круче. Физика работает по-разному в зависимости от уровня энергии. Например, электромагнетизм и слабое взаимодействие проявляются как совершенно независимые феномены на тех уровнях энергии, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, однако в ранней Вселенной, для которой были характерны очень высокие уровни энергии, эти силы представляли собой аспекты одного и того же явления. Поле Хиггса играло важную роль во время этого переходного периода. Когда условия изменились, то же произошло и с законами физики. Во многом именно для этого мы и создаем ускорители частиц: чтобы воссоздать в небольшом пространстве внутри детекторов экстремальные условия, характерные для начальных стадий развития Вселенной, с помощью которых мы могли бы лучше понять основополагающие физические принципы, сводящие всё воедино. Основная идея заключается в существовании некой всеобъемлющей математической теории, описывающей взаимодействия частиц при всех возможных условиях, и последовательное проведение их столкновений позволяет нам получить более полное представление об этой всеобъемлющей структуре. В качестве аналогии можно привести воду. На самом фундаментальном уровне она представляет собой набор молекул, состоящих из определенным образом связанных атомов водорода и кислорода. Но в повседневной жизни мы воспринимаем воду в качестве однородной бесцветной жидкости, кристаллического твердого вещества, а в особенно тяжелые времена — в качестве удушающего влажного тумана, который заставляет вас мечтать об одежде, сшитой из полотенец.
Изучая поведение воды в этих различных состояниях, мы можем сделать выводы о том, что она на самом деле собой представляет, даже если у нас под рукой нет мощных микроскопов, позволяющих рассмотреть отдельные атомы. Например, форма снежинки может многое рассказать нам о форме молекул, если мы посмотрим, как они организуются в кристаллы. То, как вода испаряется, кое-что говорит нам о связях, которые удерживают молекулы вместе. Если бы мы имели дело с водой лишь в одном из ее агрегатных состояний, мы не смогли бы составить о ней полного впечатления. Точно так же наше представление о взаимодействиях субатомных частиц меняется в зависимости от уровня энергии или температуры во время эксперимента, варьирование которых позволяет нам лучше понять, что с ними на самом деле происходит. В физике элементарных частиц нас интересует, как частицы взаимодействуют друг с другом и чем обусловлены их фундаментальные свойства, такие как масса. Характерная особенность любой частицы, обладающей массой, состоит в том, что она не может ускориться без применения силы и не способна достичь скорости света. На самых ранних этапах существования Вселенной поле Хиггса подверглось изменению, в результате которого электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие, и некоторые частицы правда, не фотон и не глюон получили возможность взаимодействовать с самим полем Хиггса. Интенсивность этого взаимодействия определяет массу частицы. Фотон продолжает путешествовать в пространстве со скоростью света, а частицы, обладающие массой, движутся тем медленнее, чем более сильное воздействие они испытывают со стороны поля Хиггса.
Сравнивать поведение частиц в условиях ранней Вселенной с их текущим поведением все равно что сравнивать собственное взаимодействие с паром и жидкой водой. Представьте, что пар — это поле Хиггса, то есть энергетическое поле, присутствующее в каждой точке пространства. А теперь представьте, что в какой-то момент поле Хиггса претерпело изменение, подобное конденсации пара в жидкую воду. Если вы привыкли иметь дело лишь с влажным воздухом, то пребывание в бассейне с водой станет для вас совершенно новым опытом. В результате внезапного изменения поля Хиггса сами законы физики как бы приобрели совершенно иную форму. Внезапно частицы, которые до этого могли беспрепятственно перемещаться в пространстве со скоростью света, замедлились под действием поля Хиггса, то есть обрели массу. Этот процесс получил название «нарушение электрослабой симметрии». Пугливая симметрия Симметрия — это тонкое, абстрактное понятие, чрезвычайно трудно объяснимое без уравнений, но настолько важное для физики, что я не могу просто отмахнуться от него. Симметрия имеет ключевое значение как для описания существующих, так и для разработки новых теорий природы. Если в ходе размышлений о мире вы привыкли использовать управляющие им математические уравнения, вас, вероятно, не удивит идея описания теорий в терминах симметрий, которым они подчиняются.
В противном случае все это может показаться вам сущей тарабарщиной. Итак, давайте сделаем небольшой экскурс в эту тему, поскольку симметрия представляет собой нечто невероятно красивое, и как только вы узнаете о ней подробнее, вы начнете замечать ее повсюду. Симметрия не сводится к зеркальному отражению чего бы то ни было. В физике огромную роль играют закономерности и то, как они позволяют нам получить более глубокое понимание некоторой основополагающей структуры. Возьмем, к примеру, периодическую таблицу элементов. Почему элементы организованы в строки и столбцы? Если вы изучали химию, вы знаете, что в столбцах сгруппированы элементы, имеющие общие свойства. Например, благородные газы, перечисленные в крайнем правом столбце, не склонны к участию в химических реакциях, тогда как находящиеся рядом с ними галогены отличаются высокой химической активностью. Эти закономерности обнаружились еще до того, как таблица была заполнена. На самом деле ее создатель Дмитрий Менделеев даже оставил пробелы для еще не открытых элементов, которые, как он знал, должны существовать, исходя из выявленных им закономерностей.
Закономерности в периодической таблице позволили теоретически обосновать заполнение электронных орбиталей, что привело к открытиям, имеющим отношение к фундаментальной природе субатомных частиц. Разработка теорий всегда начиналась с выявления закономерностей в результатах наблюдений, после чего ученые приступали к поиску скрытых свойств, способных объяснить наблюдаемое явление. Все мы постоянно это делаем, даже если не отдаем себе отчета. Понаблюдав за дорожным движением в течение дня, вы можете сделать выводы о стандартном рабочем графике. По выцветшим местам ковра вы можете судить о том, какие части комнаты получают больше всего солнечного света а также о том, как Земля ориентирована относительно Солнца. В случае с физикой элементарных частиц использование симметрии во многом напоминает создание периодических таблиц, но для более мелких компонентов природы.
В этом случае материя Вселенной будет разрушена, однако, по оценкам ученых, это займет слишком много времени, чтобы угрожать существованию человеческой цивилизации.
Особенно если вы являетесь полем Хиггса. Туннелирование в бездну Идея квантового туннелирования может показаться научно-фантастической или сугубо теоретической концепцией, с которой забавляются физики, записывая непонятные уравнения. Квантовая механика действительно говорит о том, что мы никогда не можем точно определить, где находится частица или по какой траектории она движется. Поэтому для того, чтобы математика сработала, нужно выполнить вычисления для всех траекторий, включая самые странные, предполагающие, что частица перемещается из одной части лаборатории в другую через кофейню, находящуюся в другом городе. Однако это не значит, что частица действительно так делает, верно? Оказалось, что на вопрос о том, как на самом деле ведет себя частица, ответить очень трудно. Именно поэтому ученые на протяжении многих десятилетий спорили по поводу интерпретаций квантовой механики. То, как частица путешествует между точками А и Б, по-прежнему остается в некотором смысле загадкой, как и то, почему, будучи небольшим локализованным объектом, частица подчиняется математике, описывающей распространяющиеся в пространстве волны. Тем не менее данные, с которыми согласны все, очень ясно дают понять, что туннелирование сквозь, казалось бы, непроходимые барьеры случается регулярно. Если уж частица оказалась зажатой в каком-то промежутке, стена ее не остановит. Подобное мастерство побега настолько характерно для частиц, что люди, разрабатывающие такие устройства как сотовые телефоны и микропроцессоры, вынуждены учитывать вероятность, что какой-нибудь электрон может внезапно материализоваться на другой стороне чипа. Это свойство даже применяется в некоторых технологиях, включая флеш-память. А сканирующие туннельные микроскопы используют так называемый туннельный ток для получения изображений отдельных атомов исследуемой поверхности. Свойство электронов перепрыгивать через короткие промежутки или протискиваться сквозь изоляционные барьеры может показаться хорошим трюком, однако все становится гораздо более зловещим, когда вы понимаете, что на квантовое туннелирование способны не только частицы, но и поля. Например, поле Хиггса, отделенное от состояния истинного вакуума потенциальным барьером, может туннелировать прямо в него. Как только вы это осознаете, единственная граница, отделяющая нашу гостеприимную Вселенную от тотальной космической катастрофы, покажется вам гораздо менее солидной. Хорошая в некотором роде новость заключается в том, что даже такое странное событие, как квантовое туннелирование, следует определенным правилам, по крайней мере, когда речь идет об ожидаемой частоте его наступления. Вероятность туннелирования зависит от физических характеристик системы, а это означает, что вероятность наступления такого события в течение заданного периода времени можно достаточно точно определить. Разумеется, на это способен далеко не каждый. Но какой бы сложной ни была квантовая механика для понимания или интерпретации, она, по крайней мере, позволяет производить расчеты. Однако эти расчеты не дают нам ничего более определенного, чем оценка вероятности. Мы не можем с уверенностью заявить, что поле Хиггса не туннелирует из ложного вакуума в истинный и не создаст квантовый пузырь смерти прямо рядом с вами в течение следующих 30 секунд, запустив процесс всеобщего уничтожения. Мы можем сказать лишь то, что такой сценарий крайне маловероятен. Во всяком случае, в части «следующих 30 секунд». Если наш вакуум действительно является метастабильным, то, строго говоря, этот пузырь однажды должен возникнуть. Согласно лучшим из имеющихся оценок, наш уютный вакуум вряд ли подвергнется радикальному изменению в ближайшее время, — на данный момент этот период оценивался в 10100 лет. К тому времени мы, вероятно, будем находиться в процессе тепловой смерти, а если нам совсем не повезет, — переживать Большой разрыв. В последнем случае мгновенное безболезненное уничтожение может показаться не таким уж плохим вариантом. Итак, технически я не могу утверждать, что распад вакуума не может произойти в любой момент. Я также не могу сказать наверняка, что это уже не случилось где-то в Солнечной системе, в другой части Млечного Пути или в другой галактике и не породило расширяющийся со скоростью света пузырь, тихо приближающийся к нам прямо сейчас. Однако если паранойя все-таки не дает вам покоя, я могу заверить вас в том, что у вас гораздо больше шансов быть пораженным молнией, попасть под машину, сгинуть под копытами разбушевавшегося быка или получить по голове метеоритом, чем столкнуться с пузырем истинного вакуума. Но есть еще одно обстоятельство. Мы уже сказали, что не можем вызвать распад вакуума, сталкивая частицы высокой энергии, а спонтанное туннелирование настолько маловероятно, что нам, пожалуй, стоит просто забыть о нем. Однако недавно физики описали еще один вариант уничтожения Вселенной вследствие распада вакуума и, надо сказать, довольно интересный. Маленькая, но смертоносная В 2014 году Рут Грегори, Ян Мосс и Бенджамин Уизерс, опираясь на предыдущие работы в этой области, опубликовали статью, которая привлекла мое внимание. В ней говорилось о том, что хотя спонтанный распад вакуума происходит очень медленно, присутствие черной дыры может значительно ускорить этот процесс и сделать его более интересным. Они утверждали, что настоящую опасность представляет маленькая черная дыра, поскольку черные дыры размером с частицу способны значительно повысить вероятность распада вакуума прямо над ними. Может быть, нам и не придется ждать 10100 лет. В данном случае процесс напоминает конденсацию воды на пылинке в комнате с влажным воздухом или формирование облаков в верхних слоях атмосферы. Пылинка представляет собой место зарождения — особую точку, в которой этот процесс происходит легче, чем в других. Молекулам воды будет проще соединиться друг с другом, если сначала они прикрепятся к чему-то еще. Таким образом, наличие примеси может запустить цепную реакцию там, где в противном случае ситуация могла бы оставаться прежней. Оказывается, крошечные черные дыры могут выступать в качестве места зарождения пузырей истинного вакуума, но только в том случае, если они действительно очень маленькие. К счастью для Вселенной, наше текущее понимание гравитационной физики говорит о том, что формирование таких черных дыр крайне маловероятно. Согласно нашим оценкам, черные дыры могут образоваться лишь при наличии массы, превышающей солнечную, в результате коллапса массивной звезды в конце ее жизненного цикла. Такие черные дыры могут увеличить свою массу путем поглощения вещества или слияния друг с другом, однако сокращение размера — это совсем другое дело. Они могут терять массу лишь за счет испарения Хокинга, а это занимает очень много времени. Черная дыра, масса которой равна солнечной, имеет ожидаемое время жизни около 1064 лет. В какой-то момент ближе к концу этого периода черная дыра может стать достаточно маленькой для того, чтобы спровоцировать распад вакуума, однако нам еще очень долго не придется беспокоиться по этому поводу. Также было высказано предположение, что в ранней Вселенной крошечные черные дыры могли образовываться под влиянием чрезвычайно высокой плотности, характерной для стадии Горячего Большого взрыва, но пока у нас нет никаких свидетельств в пользу этой гипотезы. Однако если бы маленькие черные дыры действительно возникали и были способны дестабилизировать вакуум, нас бы здесь не было. Таким образом, если мы принимаем во внимание этот довод и допускаем вероятность распада вакуума, то мы должны признать ошибочной любую теорию, предполагающую формирование крошечных черных дыр в ранней Вселенной, просто на основании факта нашего существования. Некоторые ученые просто ради интереса размышляют о возможных способах создания таких маленьких черных дыр. Идея эта не нова. Помимо того, что они «ужасно милые» в теоретическом смысле, эти миниатюрные монстры могут многое рассказать нам о действии гравитации, об их возможном испарении и даже о существовании дополнительных невидимых нам измерений пространства. На протяжении многих лет физики изучали данные с ускорителей частиц, надеясь обнаружить признак того, что в результате одного из столкновений протонов в небольшом пространстве образовалось достаточно энергии для возникновения микроскопической черной дыры. Такая черная дыра, если и образуется, должна быть безвредной по традиционным представлениям, не учитывающим возможность распада вакуума. Согласно теории, она должна немедленно испариться под действием излучения Хокинга, и даже если этого не произойдет, она, скорее всего, унесется от нас с релятивистской скоростью, поскольку нацеливание нельзя выполнить настолько точно, чтобы после столкновения частицы полностью остановились. Кроме того, чтобы столкновения в коллайдерах могли породить крошечные черные дыры, гравитация, действующая на субатомные частицы, должна оказаться сильнее, чем предполагают эйнштейновские законы гравитации. И, насколько нам известно, такое может случиться лишь при наличии дополнительных измерений пространства. Достаточно лишь сказать, что существование более трех пространственных измерений может усилить гравитацию в очень малых масштабах, сделав возможным формирование маленьких черных дыр в результате столкновений в ускорителе БАК. Таким образом, если нам удастся создать черную дыру с помощью БАК, мы получим доказательство того, что пространство имеет больше измерений, чем мы думали. Для ученого, стремящегося открыть новые захватывающие области физики, подобные новости кажутся фантастическими! Но, разумеется, было бы очень жаль, если бы крошечные черные дыры, которые мы пытаемся создать в ускорителе, могли вызвать распад вакуума и гибель Вселенной. К счастью, они на такое не способны. Мы уверены в этом настолько, насколько это вообще возможно для физиков. Во-первых, как мы уже говорили, энергия столкновения космических лучей намного превосходит все то, что мы наблюдаем в своих ускорителях частиц. Если даже мы можем сталкивать протоны для создания черных дыр, то Вселенная делала это бесчисленное количество раз, и, как видите, мы все еще здесь! Так что либо черные дыры нигде не возникают, либо они совершенно безвредны. Другая причина заключается в вероятном существовании порога значения массы, который должны преодолеть эти крошечные черные дыры, прежде чем они начнут представлять опасность хотя бы гипотетически. Масса черных дыр, созданных коллайдером, была бы гораздо ниже этого уровня. И скорее всего, то же самое можно сказать о результатах большинства столкновений, происходящих в космосе. Чтобы доказать ограниченность размеров гипотетических дополнительных пространственных измерений, некоторые из нас уже приводили этот довод и указывали на то, что мы все еще живы. Как космологу, заинтересованному в тестировании различных физических теорий, мне нравится приводить в качестве одного из доводов отсутствие признаков космического апокалипсиса. Итак, если отвлечься от маленьких черных дыр, что можно сказать о распаде вакуума? Все остальные варианты гибели Вселенной, рассмотренные ранее, по крайней мере, предполагают такую отдаленность во времени, что все опасения по их поводу можно смело оставить постчеловеческим сущностям, которые будут населять космос после нас. Особенность распада вакуума заключается в том, что он может произойти в любой момент, даже если вероятность этого чрезвычайно мала. Кроме того, он предполагает тотальное разрушение Вселенной. В 1980 году два теоретика, Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа, рассчитали, что пузырь истинного вакуума будет содержать не только элементарные частицы с совершенно иными и смертоносными свойствами, но и пространство, которое по своей природе гравитационно нестабильно. По их словам, после образования пузыря все его содержимое коллапсирует в течение нескольких микросекунд. Вот что они написали: Это удручает. Вероятность того, что мы существуем в ложном вакууме, никогда не была особенно обнадеживающей. Распад вакуума представляет собой окончательную экологическую катастрофу; в новом вакууме будут действовать другие физические константы; после распада вакуума невозможной станет не только жизнь, какой мы ее знаем, но и привычная нам химия. Тем не менее всегда можно было утешиться мыслью о том, что со временем в новом вакууме может возникнуть если и не жизнь, какой мы ее знаем, то, по крайней мере, некие структуры, способные радоваться своему существованию. Теперь и эта возможность исключена.
Ученые получают доказательства распада ложного вакуума
Разберемся по порядку, что такое ложный вакуум, чем он опасен и какой выдающийся результат получили экспериментаторы. Ружье на стене В бытовом понимании вакуум — это когда нет совсем ничего. Однако так не бывает. В любой пустоте есть многочисленные поля — электромагнитное, гравитационное и другие. Строго говоря, с каждым видом элементарных частиц связано собственное поле. Если любая пустота пронизана всевозможными полями, что же такое вакуум? Просто состояние полей с наименьшей энергией. Вопрос в том, что означает «наименьшая». Простая аналогия: поднимая предмет над землей, мы запасаем в нем потенциальную энергию.
Мерило этой энергии — высота.
Тот, который поглубже, — истинный вакуум — отвечает минимальной плотности энергии, и он вечен. Тот, который повыше, — ложный вакуум — не совсем стабилен. До поры до времени он может выглядеть как нормальный вакуум, и в нём тоже могут летать частицы, происходить взаимодействия и образовываться звезды и планеты. Но всегда существует вероятность, что этот вакуум «сломается», что он протуннелирует в более стабильный истинный вакуум. Этот квантовый распад вакуума выглядит так.
В какой-то момент во Вселенной, находящейся в состоянии «ложного вакуума», появляется пузырь истинного вакуума рис. Переход между областью истинного и ложного вакуума не может быть разрывным, теория такой возможности не допускает. Поэтому имеется тонкая промежуточная зона стенка пузыря , в которой хиггсовское поле плавно переходит от одного вакуума в другой, преодолевая по пути потенциальный барьер. Если этот пузырь энергетически выгоден, то он начнет расширяться, вначале медленно, но затем разгонится до скорости света. При таком переходе свойства частиц резко изменятся, а во Вселенной выделится много дополнительный энергии, которая была раньше запасена в ложном вакууме. Иными словами, последствия такого распада вакуума будут катастрофическими для любых структур, населявших «старую» Вселенную.
Этот процесс во многом напоминает вскипание перегретой жидкости, только, разумеется, масштабы здесь не те. Пояснение насчет единиц измерения и размерностей. В результате длина выражается не в метрах, а в обратных энергетических единицах, например Дж—1 или эВ—1. Подсказка 1 Разумеется, честное полноценное решение представляет собой серьезную научную задачу. Однако очень грубую оценку времени жизни можно дать из довольно простых рассуждений, которые опираются на анализ размерностей. Подсказка 2 Рассмотрим неподвижный пузырь «истинного вакуума» радиуса R во Вселенной, находящейся в состоянии «ложного вакуума».
Оценим полную энергию этого пузыря относительно ложного вакуума. Пузырь заполнен истинным вакуумом, который придает пузырю отрицательную энергию. Однако у пузыря есть тонкие стенки, в которых хиггсовское поле плавно переходит от истинного вакуума в ложный. Эти стенки обладают положительной энергией, по аналогии с поверхностным натяжением на границе жидкости.
Ранее новорожденных белых акулят никто не видел, хотя ученые давно подозревали, что воды у калифорнийского побережья служат родильным домом для белых акул. Как выяснилось, всего 100 каланов в одном эстуарии на севере Калифорнии могут настолько хорошо регулировать численность роющих крабов, что скорость береговой эрозии падает в четыре раза. Эта связь была подтверждена наблюдениями, экспериментами и моделированием. Им стала горячая суперземля , железное ядро которой занимает почти весь объем планеты. Она обращается вокруг красного карлика и не имеет атмосферы. Для этого они измеряли намагниченность в бозе-конденсате атомов изотопа натрия-23 и наблюдали за образованием пузырьков истинного вакуума.
Статья об эксперименте опубликована в Nature Physics. Переохлажденный газ — классический пример метастабильного состояния, переход из которого в основное состояние жидкую фазу происходит из-за резонансного возникновения пузырьков. Их образование обычно происходит вокруг примесей в газе или неоднородностей контейнера. Эту идею можно расширить и на квантовые системы и квантовую теорию поля в широком диапазоне сценариев и масштабов, от понимания устройства ранней Вселенной до характеристики спиновых цепей. В этих моделях метастабильное состояние, в котором начинают зарождаться пузырьки, называется ложный вакуум. В чистом виде распад ложного вакуума в основное состояние происходит за счет квантово-вакуумных флуктуаций.
Разрушение пустоты: могут ли физики случайно уничтожить Вселенную
NP: процесс распада ложного вакуума впервые наблюдали в бозе-конденсатеИзображение: Nature Physics (2024) / дународная группа ученых получила первые экспериментальные доказательства распада ложного вакуума. Результаты исследования. Тем не менее, в дальнейшем распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную. Физики увидели распад ложного вакуума в ферромагнитных сверхтекучих жидкостях. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. На канале Kurzgesagt видеохостинга YouTube появился ролик, на котором ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума, передает
Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума»
То там, то здесь в ее толще случаются «большие взрывы», в которых распадается ложный вакуум и возникает область космоса, подобная нашей. Но инфляция никогда не закончится полностью, во всей Вселенной. Дело в том, что распад вакуума — вероятностный процесс, и в разных областях он случается в разное время. Выходит, Большой взрыв не был уникальным событием в нашем прошлом. Множество «взрывов» случилось прежде и несчетное число еще произойдет в будущем. Этот никогда не кончающийся процесс называется вечной инфляцией. Можно попробовать представить, как бы выглядела инфлирующая Вселенная, если взглянуть на нее со стороны. Пространство было бы заполнено ложным вакуумом и очень быстро расширялось во все стороны. Распад ложного вакуума похож на закипание воды. То там, то здесь спонтанно возникают пузыри низкоэнергетического вакуума.
Едва зародившись, пузыри начинают расширяться со скоростью света. Но они очень редко сталкиваются, поскольку пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для все новых и новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только малую его часть. К сожалению, путешествия в другие пузыри невозможны. Даже забравшись в космический корабль и двигаясь почти со скоростью света, нам не угнаться за расширяющимися границами нашего пузыря. Так что мы являемся его пленниками. С практической точки зрения каждый пузырь является самодостаточной отдельной вселенной, у которой нет связи с другими пузырями. В ходе вечной инфляции порождается бесконечное число таких пузырей-вселенных. Одна из впечатляющих возможностей — наблюдение за столкновением пузырей.
Если бы другой пузырь ударился в наш, это оказало бы заметное воздействие на наблюдаемое космическое фоновое излучение. Проблема, однако, в том, что столкновения пузырей очень редки, и не факт, что такое событие случалось в пределах нашего горизонта. Удивительный вывод следует из этой картины мира: поскольку число вселенных-пузырей бесконечно и каждая из них неограниченно расширяется, в них будет содержаться бесконечное число областей размером с наш горизонт. У каждой такой области будет своя история. Под «историей» имеется в виду все, что случилось, вплоть до мельчайших событий, таких как столкновение двух атомов. Ключевой момент состоит в том, что число различных историй, которые могут иметь место, — конечно. Как это возможно? Например, я могу подвинуть свой стул на один сантиметр, на полсантиметра, на четверть и так далее: кажется, что уже здесь таится неограниченное число историй, поскольку я могу сдвинуть стул бесконечным числом разных способов на сколь угодно малое расстояние. Однако из-за квантовой неопределенности слишком близкие друг к другу истории принципиально невозможно различить.
Таким образом, квантовая механика говорит нам, что число различных историй конечно. С момента Большого взрыва для наблюдаемой нами области оно составляет примерно 10, возведенное в степень 10150. Это невообразимо большое число, но важно подчеркнуть, что оно не бесконечно. Итак, ограниченное количество историй разворачивается в бесконечном числе областей. Неизбежен вывод, что каждая история повторяется бесконечное число раз. В частности, существует бесконечное число земель с такими же историями, как у нашей. Это значит, что десятки ваших дублей сейчас читают эту фразу. Должны существовать также области, истории которых в чем-то отличаются, реализуя все возможные вариации. Например, есть области, в которых изменена лишь кличка вашей собаки, а есть другие, где по Земле до сих пор ходят динозавры.
Хотя, конечно, в большинстве областей нет ничего похожего на нашу Землю: ведь куда больше способов отличаться от нашего космоса, чем быть на него похожим. Эта картина может показаться несколько угнетающей, но ее очень трудно избежать, если признается теория инфляции. Но это необязательно должно быть так. Свойства нашего мира определяются набором чисел, называемых фундаментальными постоянными. Среди них Ньютонова гравитационная постоянная, массы элементарных частиц, их электрические заряды и тому подобное. Всего существует около 30 таких констант, и возникает вполне естественный вопрос: почему у них именно такие значения, которые есть? Долгое время физики мечтали, что однажды смогут вывести значения констант из некой фундаментальной теории. Но существенного прогресса на этом пути достигнуто не было. Если выписать на листок бумаги значения известных фундаментальных постоянных, они покажутся совершенно случайными.
Некоторые из них очень малы, другие велики, и за этим набором чисел не просматривается никакого порядка. Однако в них все же была замечена система, хотя и несколько иного рода, чем надеялись обнаружить физики. Значения констант, похоже, тщательно «подобраны» для обеспечения нашего существования. Это наблюдение получило название антропного принципа. Константы будто специально тонко настроены Творцом, чтобы создать подходящую для жизни Вселенную — это как раз то, о чем говорят нам сторонники учения о разумном замысле. Но существует иная возможность, рисующая совсем другой образ Творца: он произвольным образом порождает множество вселенных, и чисто случайно некоторые из них оказываются пригодными для жизни.
Авторы YouTube-канала Kurzgesagt, которых не на шутку волнует эта угроза, опубликовали соответствующее видео, к котором попытались в доступной форме рассказать о проблеме, сообщает РИА VladNews со ссылкой на planet-today. Смотрите видеоролик ниже. В общем, суть в том, что весь наблюдаемый мир пребывает в состоянии истинного или ложного вакуума.
Если мы живет в истинном вакууме, то опасаться совершенно нечего — он отвечает минимальному энергетическому потенциалу хиггсовского поля и поэтому стабилен. А вот если обозримая Вселенная на самом деле находится в ложном вакууме, то пора бы нам подыскать себе другую, потому что эта в любую секунду может перейти на более глубокий уровень, то есть, в тот самый истинный вакуум.
Разница энергии вакуумов превращается в кашу из разнообразных частиц причем возможно не существующих в нашем вакууме , причем число их огромно. Собственно, той материей, которая существовала до подобного события, можно пренебречь. Далее, когда очаг разрушения возник, остановить процесс невозможно, как домино, процесс распространяется во все стороны, причем со скоростью света! То есть у него нет никаких предвестников — даже тревожной музыки, как в фильмах. Вы сидите, пьете вино ночью и смотрите на звезды, а потом раз — и ничего нет, кроме плазмы из новых частиц.
Нам хотелось бы верить, что такое событие очень очень очень маловероятно, вот например Nick Bostrom ответил мне ссылкой на его с Тегмарком статью, где они оценивали вероятность такого события «сверху»: arxiv. А вы заметили, что vacuum catastrophe куда лучше подходит для квантового самоубийства, чем ружье? Процесс мгновенен, не может оставить вас калекой… Он просто идеален. И поэтому… Что если он происходит регулярно, но мы его не замечаем? Именно такую вселенную мне хочется рассмотреть. Давайте введем величину D doom factor , которая пропорциональная вероятности спонтанного распада вакуума. Астрономы сейчас поежились от использования светового года в качестве меры расстояния, вместо парсека, но в данном случае очень хочется измерять время и расстояние в «одинаковых» единицах.
Обреченная Вселенная Итак, какова вероятность того, что мы останемся живы в такой Вселенной?
Ученые готовили атомы, чтобы их спиновое состояние обеспечивало локальный минимум энергии бозе-конденсата в начале измерений. Физики измеряли профили намагниченности системы в зависимости от времени и наблюдали ее пузырьковообразный переход в глобальный минимум по энергии. Ученые сравнили скорость образования пузырька истинного вакуума и частоту распадов ложного вакуума с численным моделированием классической динамики поля, а также с простой теорией инстантонов, основанной на приведенном функционале энергии намагниченности. Компьютерное моделирование совпало с экспериментальными результатами, что по мнению ученых доказывает наблюдение распада ложного вакуума в истинный. Физики отмечают, что предложенный ими метод позволит подробнее изучить распад ложного вакуума квантовых состояний. Кстати, наш вакуум вполне вероятно тоже является ложным.
Ученые рассказали о смерти Вселенной из-за распада вакуума
Произойти это должно не скоро, но, по мнению некоторых ученых, Вселенная может погибнуть «раньше срока» в результате одного из апокалипсисов, например, в результате распада ложного вакуума. Профессор Ян Мосс и доктор Том Биллам из Университета Ньюкасла убедительно продемонстрировали, что эти пузырьки возникают в результате термически активированного распада вакуума. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. • Распад ложного вакуума может произойти из-за квантового туннелирования или катастрофического события.
Смерть Вселенной из-за распада вакуума показали на видео
Именно этот процесс представлен в видеоролике. Однако, успокаивают исследователи, катастрофический переход из одного состояния в другое будет столь долгим, что уже не сможет угрожать человечеству.
В результате проведенных экспериментов ученые наблюдали образование маленьких пузырьков истинного вакуума в квантовой системе, которая представляла собой переохлажденный газ из изотопов натрия-23. Подобная среда имеет свойства сверхтекучей жидкости и была охлаждена до температуры менее одного микрокельвина. Результаты эксперимента соответствовали численным моделям и подтверждали квантово-механическую природу распада ложного вакуума. Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля.
Сравнение временных характеристик формирования пузырька истинного вакуума с численным моделированием. Zenesini et al. Физики измеряли профили намагниченности системы в зависимости от времени и наблюдали ее пузырьковообразный переход в глобальный минимум по энергии.
Бозе-конденсат — это состояние материи, которое возникает, когда частицы или атомы, относящиеся к бозонам, охлаждают почти до абсолютного нуля, в данном случае до нескольких десятков нанокельвинов. Бозоны способны находиться в одном и том же основном квантовом состоянии грубо говоря, их принципиально нельзя отличить одну от другой и ведут себя подобно одной «размытой» частице, что создает квантовые эффекты, видимые невооруженным глазом. Одним из таких эффектов является сверхтекучесть — способность жидкости обтекать узкие барьеры без трения.
Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума»
Распад ложного вакуума играет в этой теории роль Большого взрыва. Если это ложный вакуум, то его самопроизвольный распад произойдет намного позже естественной смерти Солнца. На канале Kurzgesagt ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума. Распад существовавшего тогда ложного вакуума привел к быстро расширяющемуся пространству, заполненному раскаленной материей.
Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума
| Опубликовано видео, показывающее уничтожение Вселенной из-за распада вакуума | Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое. |
| Распад нестабильного вакуума • Игорь Иванов • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Физика | При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. |
| Nature Physics: ученые получили доказательства распада ложного вакуума | Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое. |
| Впервые получены доказательства распада ложного вакуума | Новости дня России и мира | Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. |
Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума»
| Домен припаркован в Timeweb | На канале Kurzgesagt видеохостинга YouTube появился ролик, на котором ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума, передает со ссылкой на |
| Смерть Вселенной из-за распада вакуума показали на видео - Янтарный край | Этот эксперимент демонстрирует возможность исследования распада ложного вакуума и его последствий для физики и космологии в контролируемых атомных системах. |
| Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума» | Речь идет о потенциальном процессе, известном как распад ложного вакуума. |
| Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума | СМИ заполонили тревожные сообщения: мол, физики устроили распад ложного вакуума — явление, способное уничтожить Вселенную. |
Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума»
К тому же это событие, если вообще возможно, очень маловероятно. Ожидаемое минимальное время до него — десять миллиардов триллионов триллионов триллионов триллионов лет 10 в 58-й степени. Учитывая, что нынешний возраст наблюдаемой Вселенной примерно в триллион триллионов триллионов триллионов раз меньше, возможность такого события в ближайшее время не слишком велика. О чем же тогда пишут СМИ?
Они пытаются, в меру сил и возможностей, описать научную работу , опубликованную в журнале Nature Physics впрочем, даже полное название журнала корректно смогли указать не все. Проблема в том, что она отнюдь не описывает ложный вакуум в квантовомеханическом смысле этого слова: авторы разбирают симуляционную модель перехода из состояния с одной минимальной энергией в состояние с чуть более низкой минимально возможной энергией. Однако реальная новость вновь заслоняется выдуманной: часто пишут, будто «Вояджер-2» и «Водяжер-1» покинули Солнечную систе… naked-science.
Опыт проходил в среде с температурами в районе долей градуса выше абсолютного нуля. Однако он не касался вакуума в физическом смысле этого слова, в том числе потому, что происходил в среде, насыщенной атомами.
Учёные напоминают, что для всех объектов во Вселенной характерно стремление к стабильному состоянию, при котором энергия этого объекта будет минимальной. Распространяется это даже на квантовые поля, определяющие «правила», по которым взаимодействуют различные частицы. Квантовые поля стремятся к так называемому вакуумному состоянию, подразумевающему нулевую энергию учёные отмечают, что это название не имеет прямого отношения к космическому вакууму.
При этом поле Хиггса, квантом которого является знаменитый хиггсовский бозон, представляет собой некоторое исключение, поскольку находится в состоянии так называемого «ложного вакуума», то есть, на самом деле, стабильности не достигает.
Подобная среда имеет свойства сверхтекучей жидкости и была охлаждена до температуры менее одного микрокельвина. Результаты эксперимента соответствовали численным моделям и подтверждали квантово-механическую природу распада ложного вакуума. Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля. Бозе-конденсат, в котором наблюдались эти явления, возникает при охлаждении бозонов, таких как атомы, почти до абсолютного нуля.
О чем же тогда пишут СМИ? Они пытаются, в меру сил и возможностей, описать научную работу, опубликованную в журнале Nature Physics впрочем, даже полное название журнала корректно смогли указать не все. Проблема в том, что она отнюдь не описывает ложный вакуум в квантовомеханическом смысле этого слова: авторы разбирают симуляционную модель перехода из состояния с одной минимальной энергией в состояние с чуть более низкой минимально возможной энергией.
Для этого ученые из Италии провели эксперимент с образованием пузырьков в ферромагнитной сверхтекучей жидкости, где до массового образования пузырьков было метастабильное состояние с одной минимальной энергией, а после образования пузырьков наступило иное, но тоже стабильное состояние только с более низкой энергией. Опыт проходил в среде с температурами в районе долей градуса выше абсолютного нуля. Однако он не касался вакуума в физическом смысле этого слова, в том числе потому, что происходил в среде, насыщенной атомами.
Интересно, что сами ученые, написавшие эту работу для Nature Physics, достаточно однозначно пояснили, что речь идет именно о симуляции квантовых процессов, а не о них самих. Том Биллам Tom Billam прокомментировал ее так: «Использование возможностей экспериментов с ультрахолодными атомами для симулирования квантовых физических процессов в других системах — в данном случае ранней Вселенной — крайне интересная область исследования в настоящий момент».