Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. На канале Kurzgesagt видеосервиса Youtube появилась запись, на которой продемонстрировано разрушение Вселенной в результате распада ложного вакуума внутри неё.
Физики показали на видео разрушение Вселенной из-за распада вакуума
Фото из открытых источников Англо-итальянская команда учёных достигла значительного прогресса в изучении явления распада ложного 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 Уже примерно неделю замечаю в СМИ новости про физиков, которые «увидели распад ложного вакуума». Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое. • Распад ложного вакуума может произойти из-за квантового туннелирования или катастрофического события.
Конец Вселенной: ученые показали, к чему приведет распад вакуума
Однако для поля Хиггса это не так: его потенциал напоминает скорее «мексиканскую шляпу», чем «ямку», и более выгодным становится отличное от нуля положение. В результате все пространство оказывается пронизано полем постоянной напряженности, которое мешает частицам ускоряться и придает им массу. Потенциал типа «ямка» слева и типа «мексиканская шляпа» справа Более того, по современным представлениям на больших энергиях потенциал поля Хиггса снова загибается вниз, чтобы образовать вторую ямку, расположенную ниже той ямки, в которой мы живем. Хотя обе ямки разделяет высокий потенциальный барьер, поле может протуннелировать через него и свалиться в более выгодное состояние.
Это значит, что рано или поздно ложный вакуум Стандартной модели прекратит свое существование и перейдет в истинный вакуум, а энергию колебаний поля придется отсчитывать от абсолютного минимума, а не от локального. Процесс такого перехода называют распадом ложного вакуума. В результате распада ложного вакуума огромная энергия, запасенная полем, высвободится — в конечном счете, это выразится в образовании большого числа частиц и приведет к повторному разогреванию Вселенной.
Тем не менее, процесс распада ложного вакуума довольно сложен. Так, поле не может перейти из ложного вакуума в истинный одновременно во всем объеме Вселенной, поскольку вероятность такого перехода слишком мала. Гораздо более вероятен другой сценарий, в ходе которого поле случайно туннелирует из ложного вакуума в истинный только в некотором ограниченном объеме, а затем образовавшийся пузырек бесконечно расширяется или схлопывается обратно.
Чтобы рассчитать скорость распада по такому сценарию, необходимо найти конфигурацию поля, которая решает классические уравнения движения и описывает плавный переход между истинным вакуумом внутри пузырька и ложным вакуумом снаружи.
В этом случае материя Вселенной будет разрушена, однако, по оценкам ученых, это займет слишком много времени, чтобы угрожать существованию человеческой цивилизации.
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? Нужно оценить количество потециальных катастроф в прошлом, то есть в нашем past light cone. То есть вероятность того, что мы не погибли равна. Нас не должно это удивлять, в MWI ветви разделяются еще сильнее даже в рамках минут и секунд. Тем не менее интересно проследить, а когда в среднем было последнее событие такого рода? Это можно сделать по формуле: Значение, которое мы получаем довольно странное для выбранного нами наобум D — около 100 миллионов лет.
И таких «бокалов» может быть множество. Согласно общей теории относительности Эйнштейна пространство может быть искривлено, однако теория инфляции предсказывает, что наблюдаемая нами область Вселенной должна с высокой точностью описываться плоской, евклидовой, геометрией. Вообразите искривленную поверхность сферы. Теперь мысленно увеличьте эту поверхность в огромное число раз. Это как раз то, что случилось со Вселенной во время инфляции. Нам видна лишь крошечная часть этой огромной сферы. И она кажется плоской точно так же, как Земля, когда мы рассматриваем небольшой ее участок. То, что геометрия Вселенной плоская, было проверено путем измерения углов гигантского треугольника размером почти до космического горизонта. Их сумма составила 180 градусов, как и должно быть при плоской, евклидовой, геометрии. Теперь, когда данные, полученные в наблюдаемой нами области Вселенной, подтвердили теорию инфляции, можно в какой-то степени доверять тому, что она говорит нам о регионах, недоступных для наблюдения. Это возвращает нас к вопросу, с которого мы начали: что лежит за нашим космическим горизонтом? 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.
Ученые рассказали о смерти Вселенной из-за распада вакуума
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. 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». Фейк: вторая Суперлуна в августе запустит разрушительные землетрясения на планете Российские СМИ массово пишут — причем ссылаясь на ученых, — что второе суперлуние этого августа в ночь на 31-е число вызовет серию разрушительных землетрясений. Однако с научной точки зрения реал… naked-science. Они осознают, что проводили симуляцию распада ложного вакуума и регистрировали именно эту симуляцию, а не реальный процесс.
Ясно им и то, что если бы такое событие случилось в реальной жизни, оно стало бы последним в нашей истории.
В начале банкета, пока вы терпеливо ждете в окружении множества столовых приборов и небольших тарелок с хлебом, вы находитесь в ситуации, которой свойственна вращательная симметрия. Как только кто-то из ваших соседей потянется за куском хлеба, симметрия нарушится, и все остальные смогут последовать его примеру. Если бы два человека одновременно потянулись к тарелкам с хлебом, находящимся на противоположной от них стороне стола, физики назвали бы такую ситуацию топологическим дефектом.
В данном конкретном случае речь идет о доменной стенке, которая, если начнет доминировать во Вселенной, может привести к Большому сжатию. Вот почему я всегда жду, пока другие возьмут хлеб, прежде чем потянуться к тарелке. С какой бы симметрией мы как физики ни работали, она будет отражена в описывающих взаимодействия уравнениях. Существуют способы кодирования вращательной, зеркальной и трансляционной симметрии, гарантирующие, что физика останется неизменной, как бы вы ни вращали, ни отражали и ни перемещали изучаемую систему.
В уравнениях также могут быть закодированы и более тонкие виды симметрий, лучше всего описываемые с помощью теории групп и абстрактной алгебры; это удивительные разделы математики, обсуждение которых, к сожалению, выходит далеко за рамки данной работы. Нарушение электрослабой симметрии, которое произошло спустя 0,1 наносекунды после возникновения Вселенной, представляло собой своеобразную перестройку структуры физики на фундаментальном уровне. После этого правила взаимодействия частиц радикально изменились. Парообразное поле Хиггса превратилось в океан.
Однако водная аналогия не идеальна. Двигаясь сквозь толщу воды, вы замедляетесь, и если перестанете прикладывать усилия, то совсем остановитесь. Что касается массивных частиц, то их скорость не снижается по мере взаимодействия с полем Хиггса. В вакууме любой объект стремится продолжать делать то, что он делает.
Массивные частицы, как правило, путешествуют по Вселенной на очень высоких хотя и досветовых скоростях. Основное различие между массивными и безмассовыми частицами заключается в том, что массивным частицам, движущимся в вакууме, для ускорения требуется толчок, тогда как безмассовые частицы перемещаются со скоростью света без всяких усилий. На самом деле, безмассовые частицы просто не могут двигаться медленнее скорости света. Поэтому нам следует сказать спасибо, что поле Хиггса нарушило электрослабую симметрию, в противном случае мы не имели бы возможности просто спокойно посидеть.
Поле Хиггса не только позволило частицам обрести массу, но и определило некоторые из фундаментальных физических констант, в том числе заряд электрона и значения масс частиц. То физическое состояние, в котором мы существуем, называется «вакуумом Хиггса» или «вакуумным состоянием». Если бы поле Хиггса имело какое-то другое значение или симметрия нарушилась как-то иначе, мы, вероятно, вообще не могли бы существовать. Мы находимся во Вселенной, где массы и заряды частиц идеально подходят для того, чтобы частицы объединялись в молекулы, формировали сложные структуры и обеспечивали химические процессы, поддерживающие жизнь.
Если бы поле Хиггса имело другое значение, такое деликатное равновесие, вероятно, не было бы достигнуто, что сделало бы невозможным формирование этих связей. Своим материальным существованием мы обязаны тому факту, что поле Хиггса остановилось на нужном значении. И тут возникают некоторые риски. Эксперименты, проводимые на ускорителе БАК с целью воссоздания экстремальных условий ранней Вселенной, помогают нам не только лучше изучить существующие законы физики, но и понять, какими они могли бы быть при других обстоятельствах.
В 2012 году, когда физикам наконец удалось создать бозон Хиггса в результате столкновения частиц, измерение его массы позволило получить недостающий фрагмент для завершения Стандартной модели физики элементарных частиц. Благодаря этому мы узнали не только о текущем значении поля Хиггса, но и обо всех возможных значениях, которые оно могло бы принять, появись у него такая возможность. Хорошая новость: измеренная масса бозона Хиггса полностью соответствует хорошо обоснованной и математически последовательной формулировке Стандартной модели, которая до сих пор с блеском выдерживала все экспериментальные испытания. Плохая новость: последовательная Стандартная модель также говорит нам о том, что наш вакуум Хиггса — идеально сбалансированный набор законов, управляющих физическим миром, — нестабилен.
В таком случае дни нашего прекрасного космоса, судя по всему, сочтены. Шаткое положение космоса Идея о том, что наш вакуум может оказаться нестабильным, не нова. Уже в 1960-х и 1970-х годах физики писали статьи о возможном и катастрофическом для Вселенной процессе распада, способном уничтожить жизнь какой мы ее знаем, и любую возможность существования организованной материи. В то время распад вакуума был просто идеей, с которой можно забавляться в уравнениях, не имея никаких подтверждающих ее экспериментальных данных.
Сейчас все иначе. Чтобы разобраться с распадом вакуума, сначала нужно познакомиться с концепцией потенциала, математической конструкцией, описывающей то, как может измениться значение поля и где оно «предпочитает» находиться. Поле Хиггса можно представить в виде камешка, катящегося по склону долины. Форма этого склона и есть потенциал.
Подобно тому, как камешек стремится оказаться на дне долины, поле Хиггса будет искать состояние с самой низкой энергией, соответствующее наименьшему значению потенциала, и остановится на нем, если ему ничто не помешает. Потенциал можно изобразить в виде U-образной кривой, нижняя часть которой соответствует этой самой долине. Нарушение электрослабой симметрии привело к возникновению потенциала, управляющего полем Хиггса, и, как мы думаем, это поле благополучно обосновалось на дне долины. Проблема в том, что истинное дно может находиться в гораздо более низкой части потенциала и соответствовать другому вакуумному состоянию.
Представьте себе наклоненную округлую W-образную кривую, одна из долин которой расположена ниже той, в которой в настоящее время находится поле Хиггса. Если потенциал Хиггса имеет второй, более низкий минимум, то это превращает его из хорошей математической конструкции в экзистенциальную угрозу для всего космоса. В каком бы месте своего потенциала в данный момент ни находилось поле Хиггса, оно дает нам вполне приемлемую, удобную Вселенную. У нас есть физические константы, которые позволяют частицам организовываться в твердые жизнеспособные структуры.
Если его потенциал имеет еще один, более низкий минимум, все сущее находится под угрозой. Потенциал поля Хиггса с состоянием ложного вакуума. Каждый минимум потенциала соответствует возможному состоянию вселенной. Наше поле Хиггса находится в более высоком минимуме ложный вакуум , оно может перейти в другое состояние истинный вакуум в результате высокоэнергитического события отмеченного на диаграмме словом "флуктуации" или путем квантового туннелирования.
Если наша Вселенная находится в ложном вакууме, переход поля Хиггса в состояние истинного вакуума будет настоящей катастрофой. В такой ситуации вакуум Хиггса можно назвать лишь метастабильным. То есть он стабилен только до определенного момента. Поле застряло в минимуме потенциала, который на самом деле больше напоминает не дно долины, а небольшое углубление в ее склоне.
Поле может оставаться там в течение длительного времени — достаточного для возникновения галактик, рождения звезд, эволюции жизни, а также для производства бесчисленного количества никому не нужных фильмов о супергероях, однако существует вероятность, что достаточно сильное возмущение способно перебросить его через край, после чего ему уже ничто не помешает найти истинный минимум потенциала. И такое развитие событий было бы апокалиптически плохим по причинам, которые мы обсудим далее во всех кровавых подробностях. К сожалению, лучшие из имеющихся у нас данных, полностью соответствующих Стандартной модели физики элементарных частиц, позволяют предположить, что наше поле Хиггса в настоящее время находится именно в таком углублении. Это метастабильное состояние также называется «ложным вакуумом» в отличие от «истинного» вакуума, который соответствует самому нижнему минимуму потенциала.
Что плохого в том, чтобы находиться в ложном вакууме? Вполне возможно, что все. Ложный вакуум в лучшем случае представляет собой лишь временную отсрочку для окончательного разрушения. В ложном вакууме законы физики, в том числе сама возможность существования частиц, зависят от деликатного баланса, который в любой момент может быть нарушен.
Это событие называется распадом вакуума. Оно происходит быстро, чисто, безболезненно и способно уничтожить абсолютно все. Квантовый пузырь смерти Для того чтобы распад вакуума произошел, его должно что-то спровоцировать, то есть заставить поле Хиггса отправиться на поиски предпочтительного для него минимума потенциала, соответствующего «истинному» вакууму. Таким триггером может послужить сверхмощный взрыв, катастрофическое испарение черной дыры или злосчастное квантовое туннелирование о котором мы поговорим подробнее чуть позже.
Если в любой точке космоса произойдет что-то подобное, будет запущен целый каскад апокалиптических событий, которому ничто во Вселенной не сможет противостоять. Все начнется с возникновения пузыря. На месте события-триггера образуется крошечный пузырь истинного вакуума. Он будет заключать в себе совершенно иной вид пространства, в котором физические процессы подчиняются другим законам, а частицы обладают иными свойствами.
В момент формирования этот пузырь представляет собой бесконечно малое пятнышко. Однако он окружен чрезвычайно высокоэнергетической стенкой, способной сжечь все, с чем соприкоснется. Затем пузырь начнет расширяться. Поскольку истинный вакуум является более стабильным состоянием, Вселенная его «предпочитает» и переходит в него при первой же возможности, подобно тому, как камешек скатывается по склону, оказавшись на его вершине.
Как только возникнет этот пузырь, поле Хиггса вокруг него внезапно опустится в истинный минимум. Исходное событие как бы выводит из шаткого равновесия все камешки, расположенные в непосредственной близости, что вызывает сход лавины. Все большая часть пространства начнет переходить в состояние истинного вакуума. Все, чему не повезет оказаться на пути расширения пузыря, сначала столкнется с его высокоэнергетической стенкой, движущейся почти со скоростью света, а затем подвергнется процессу, который можно назвать «тотальной диссоциацией», поскольку силы, которые ранее удерживали частицы вместе в атомах и ядрах, перестанут функционировать.
То, что вы не увидите приближения этой стенки, вероятно, к лучшему. Каким бы драматичным ни выглядело вышеприведенное описание, если вы окажетесь на пути расширения пузыря, вы этого не заметите. То, что движется на вас со скоростью света, для вас невидимо, — любой намек, предупреждающий о приближении пузыря, достигнет вас одновременно с ним. Вы никак не сможете узнать о том, что на вас что-то надвигается, или просто заметить малейший признак опасности.
Если пузырь приблизится к вам снизу, то в течение пары наносекунд с момента исчезновения ваших ног вы все еще будете их видеть. К счастью, этот процесс совершенно безболезненный: ни на каком этапе ваши нервные импульсы не смогут угнаться за процессом вашего распада.
Кроме того, результаты исследования предоставляют ценную информацию о процессах, происходящих в квантовых системах многих тел. Этот шаг вперед открывает новые горизонты для нашего понимания основ квантовой физики и может впоследствии привести к разработке новых технологий и приложений в этой удивительной области науки.
То есть она хоть и может сжиматься или расширяться, но не может мгновенно измениться до неузнаваемости. А вот если мы находимся в области лишь локального минимума состояния с не самой низкой энергией вакуума , тогда вакуум нашей Вселенной ложный. Поэтому реальная регистрация подобного распада маловероятна: если он все же случится, регистрировать будет некому. 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.
Впервые получены доказательства распада ложного вакуума
Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля. Эти открытия открывают новые возможности для более глубокого понимания физики и квантовой механики.
И что это вообще такое. Для начала давайте переместимся в далекое прошлое.
В первые доли секунды после Большого взрыва. Вселенная все еще крошечная и невероятно, просто безумно горячая. Считается, что в таких условиях фундаментальные силы электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия и гравитация были объединены в одно универсальное взаимодействие. В тот момент времени мы могли бы описать столь разнообразные явления, как падение яблока с дерева, и распад ядра урана, с помощью единой системы уравнений.
Такое положение вещей может существовать только при самых экстремальных температурах. Но когда Вселенная расширилась, она остыла настолько, что фундаментальные силы начали разделяться. До тех пор, пока, в конце концов, не стали четырьмя отдельным силам, которые мы знаем и очень любим сегодня. И именно в ходе этого процесса в почву физики просыпались прыткие семена будущей вакуумной подлянки.
Квантовые поля Наши лучшие современные теории описывают Вселенную с помощью так называемых квантовых полей. Поле — это просто то, что имеет какое-то значение в какой-то точке пространства. Знакомый всем пример — магнитное поле, которое окружает стержневой магнит. Оно описывает силу, генерируемую магнитом, в любой точке пространства.
Это поле квантовано, то есть может принимать только одно из дискретного набора значений, в отличие от континуума значений, разрешенных в классическом поле. Волны в этих квантовых полях, известные как возбуждения, — это то, что мы наблюдаем как частицы. Такие, как фотоны и электроны. Для любой фундаментальной силы или частицы существует соответствующее квантовое поле.
Например, два электрона, сталкивающиеся и рассеивающие друг друга, можно представить как две волны в квантовом поле электрона, обменивающиеся фотоном. Который сам является волной в электромагнитном квантовом поле.
Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля. Эти открытия открывают новые возможности для более глубокого понимания физики и квантовой механики.
К сожалению, это были новости о событиях, которые не происходили. Чтобы понять почему, стоит вспомнить, что такое ложный вакуум. Это чисто гипотетическое состояние в квантовой теории поля, причем многие люди, занимающиеся квантовой механикой, скептически оценивают саму возможность его существования, которое, предположительно, наблюдается в нашей Вселенной сейчас.
Его отличие от истинного вакуума заключается в том, что в ложном вакууме энергия находится не на минимально возможном уровне, как в истинном, а на субминимальном. При распаде ложного вакуума минимальный энергетический уровень в вакууме для нашей Вселенной снизится. Согласно большинству расчетов по этой теме, такой распад ложного вакуума будет означать мгновенное исчезновение барионной материи. Есть небольшое число моделей, при которых такой распад не уничтожает сразу всю обычную материю, но вот жизнь нашего типа при этом все равно будет, мягко говоря, маловероятна. Иными словами, это событие почти наверняка означало бы мгновенное уничтожение всех земных наблюдателей.
Новое исследование проливает свет на явление, известное как «ложный вакуумный распад»
Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля. Эти открытия открывают новые возможности для более глубокого понимания физики и квантовой механики.
При благоприятных условиях эти пузыри будут бесконечно расширяться, а при неблагоприятных — схлопываться. Это напоминает кипение воды, только вместо пузырьков пара мы имеем дело с истинным вакуумом. В частности, именно поэтому некоторые люди боятся экспериментов на LHC — они считают, что эти эксперименты могут вызвать подобный переход. В действительности такие опасения не очень основательны, поскольку энергии, достигаемые на коллайдере малы — их недостаточно для появления пузырей истинного вакуума. Кроме того, при известных нам параметрах Стандартной модели время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной, то есть в рамках этой модели наш вакуум является метастабильным — то есть для нас он не отличается от истинного. Некоторые теоретики предсказывают, что в определенных ситуациях распад ложного вакуума может ускоряться. Например, вокруг черной дыры пространство-время сильно искривляется, и правила подсчета энергии ложного вакуума несколько изменяются, что должно увеличивать вероятность распада.
Результаты эксперимента соответствовали математическим моделям и подтвердили квантово-механическую природу распада ложного вакуума. Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости являются идеальной средой для изучения неравновесных квантовых полей. Это открытие имеет большое значение для фундаментальной науки и может иметь даль-reaching последствия для наших знаний о физических процессах.
Они могут пролить свет на основы Вселенной и помочь понять ее структуру и эволюцию.
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.
Предварительно, конечно же, сколлапсировав.
Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума
| Видео: смерть Вселенной из-за распада вакуума - RW Space | Если все пути распада ведут к очень массивным частицам, энергетический барьер такого распада может привести к образованию стабильного пузыря ложного вакуума (также известного как шар Ферми), окружающего частицу ложного вакуума. |
| Разрушение пустоты: могут ли физики случайно уничтожить Вселенную | Суть катастрофы и заключается в распаде ложного вакуума, который, считают эксперты, начнет приближаться к состоянию истинного под воздействием сторонних сил. |
| Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой" | • Распад ложного вакуума может произойти из-за квантового туннелирования или катастрофического события. |
Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума
| Исследователи изучают пузыри ничего, которые могли бы уничтожить Вселенную | Этот эксперимент демонстрирует возможность исследования распада ложного вакуума и его последствий для физики и космологии в контролируемых атомных системах. |
| Пузыри смерти или Когда распад ложного вакуума уничтожит Вселенную — Аркадий Хромов — NewsLand | Физики увидели распад ложного вакуума Итальянские физики зарегистрировали распад ложного вакуума в ферромагнитной сверхтекучей жидкости. |
Пузыри смерти или Когда распад ложного вакуума уничтожит Вселенную
Тем не менее, в дальнейшем распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную. Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. Фото из открытых источников Англо-итальянская команда учёных достигла значительного прогресса в изучении явления распада ложного вакуума. Ученые наглядно показали, как распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную. Открытие исследователей: проблема ложного вакуума доказана на практике Международная группа ученых достигла прорыва в изучении распада ложного вакуума, что было подтверждено экспериментально. Недавно некоторые СМИ сообщили, что ученые впервые наблюдали распад ложного вакуума.
Позитроны укажут на распад вакуума при столкновении тяжёлых ионов
Переход хиггсовского поля в состояние истинного вакуума вызовет вселенский распад материи, продемонстрировали ученые проекта Kurzgesagt. В глобальной паутине появился видеоролик, на котором сотрудники научного мира проинформировали о вероятном механизме уничтожения галактик Вселенной, что происходит в результате распада ложного вакуума. Опубликовано в журнале Физика природы Полученные результаты дают экспериментальные доказательства образования пузырьков в результате ложного распада вакуума в квантовой системе. Открытие исследователей: проблема ложного вакуума доказана на практике Международная группа ученых достигла прорыва в изучении распада ложного вакуума, что было подтверждено экспериментально.
Новое исследование проливает свет на явление, известное как «ложный вакуумный распад»
Согласно квантовой теории поля, ложным вакуумом называют состояние с малым значением энергии, которое является относительно стабильным метастабильным , но может переходить в состояние с минимальной возможной энергией, называемое истинным вакуумом. Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое. В результате в ложном вакууме создаются небольшие пузырьки истинного вакуума. Физики впервые наблюдали, как эти пузырьки образуются в квантовой системе, представляющей собой переохлажденный газ, состоящий из изотопов натрия-23 и обладающим свойством сверхтекучей жидкости, при температуре менее одного микрокельвина.
В этом случае не только люди, планета, Солнце и Млечный Путь, но и вся наблюдаемая Вселенная прекратили бы свое существование.
Таким будущим человечество не раз пугали ученые, в частности философ Ник Бостром, автор работы «Живете ли вы в компьютерной симуляции? Насколько опасен истинный вакуум для жизни на Земле — в материале «Ленты. Все физические процессы в таком мире происходят с энергиями, превышающими это принимаемое за нулевое значение. Между тем не исключено, что Вселенная или ее наблюдаемая часть находится в метастабильном, или ложном, вакууме.
Это означает, что существует еще более выгодное энергетическое положение, в которое может эволюционировать Вселенная — истинный вакуум. Количественное описание перехода системы из ложного вакуума в истинный впервые предложили в 1970-х годах советские физики. Почти в то же время эти вопросы привлекли внимание американских ученых. К настоящему времени разработан математический аппарат, позволяющий оценить вероятность туннелирования системы из первоначального, метастабильного состояния во второе, более устойчивое.
Во многом он основан на статистической физике и квантовой теории поля, составляющими основу так называемого формализма космологических пузырей.
Есть два основных подхода, позволяющих максимально упростить задачу и получить явные выражения для вероятности перехода — приближения тонкой и толстой стенок. В качестве базового объекта выступает потенциал Хиггса иначе — Гинзбурга-Ландау Стандартной модели — современной концепции физики элементарных частиц. В нем присутствует поле Хиггса, ответственное за возникновение у частиц инертной массы. Образованию пузыря истинного вакуума в пузыре ложного соответствует фазовый переход первого рода, когда система претерпевает скачкообразное, а не непрерывное, как в фазовом переходе второго рода, изменение. Главное в обоих приближениях — высота потенциального барьера, разделяющего ложный и истинный вакуум. Приближение тонкой стенки работает, когда различие между ложным и истинным минимумами потенциала намного меньше высоты барьера между ними. Если толщина стенок намного меньше радиуса пузыря, основной вклад в вероятность его рождения вносит поверхностная, а не объемная энергия.
Определение вероятности при этом сводится к вычислению показателя экспоненты. Приближение толстой стенки гораздо реже используется в физически интересных теориях. И понятно почему: в этом случае вероятность образования пузырьков новой фазы оказывается экспоненциально подавленной — ложный вакуум практически неотличим от истинного.
Вы никак не сможете узнать о том, что на вас что-то надвигается, или просто заметить малейший признак опасности. Если пузырь приблизится к вам снизу, то в течение пары наносекунд с момента исчезновения ваших ног вы все еще будете их видеть.
К счастью, этот процесс совершенно безболезненный: ни на каком этапе ваши нервные импульсы не смогут угнаться за процессом вашего распада. Хотя бы этому можно порадоваться. Разумеется, вами пузырь не ограничится. Любую планету или звезду, оказавшуюся в пределах его постоянно расширяющегося радиуса, постигнет та же участь. Целые галактики будут уничтожены.
Истинный вакуум полностью обнулит всю Вселенную. Уцелеют лишь те области, которые в силу своей удаленности навсегда останутся за горизонтом пузыря благодаря ускоренному расширению космического пространства. Пузырь истинного вакуума. Если распад вакуума произойдет в каком-то месте космоса, это событие породит пузырь, расширяющийся во все стороны со скоростью света и уничтожающий всё на своем пути. На самом деле вполне возможно, что пока мы тут сидим и спокойно пьем чай, распад вакуума где-то уже происходит.
Может быть, нам повезло, и пузырь находится за пределами нашего космического горизонта, поглощая галактики, о которых мы ничего не знаем. А может быть, он произошел по космическим меркам прямо по соседству, и уже тихо подкрадывается, чтобы застать нас врасплох. Нарываясь на неприятности Однако переживать по поводу возможного распада вакуума не стоит. В самом деле. По нескольким причинам.
Среди них есть и очевидные: вы не сможете остановить этот процесс, если он начнется; вы не сумеете предсказать его начало; судя по всему, вам не будет больно; кроме того, скучать по вам в любом случае будет некому, так что какой смысл беспокоиться? Лучше проверьте батарейки в пожарной сигнализации, добейтесь закрытия угольных электростанций или что-нибудь в этом роде. Но если по какой-то причине эти доводы не кажутся вам достаточно обнадеживающими, я могу с достаточной степенью уверенности заявить, что распад вакуума вряд ли произойдет в течение следующих триллионов лет. Теоретически он может быть вызван несколькими причинами. Самой очевидной является некое высокоэнергетическое событие, которое можно представить в виде землетрясения, выбивающего камешек из углубления в склоне и позволяющего ему отправиться на дно долины.
К счастью, «землетрясение» такой невообразимой силы маловероятно. По нашим оценкам, это событие должно быть гораздо более высокоэнергетическим, чем самые разрушительные из наблюдаемых нами космических взрывов, и безусловно на много порядков превосходить все то, что мы способны устроить с помощью таких созданных человеком машин, как Большой адронный коллайдер. Если у нас когда-либо опять возникнут подобные опасения, мы всегда можем вновь сослаться на тот факт, что столкновения частиц в космосе достигают и всегда достигали гораздо более высоких уровней энергий, чем те, которые способен обеспечить БАК или любая другая машина. Раз уж мы пережили их последствия, значит, наши современные ускорители частиц точно не представляют никакой опасности. Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом.
Если вернуться к аналогии с камешком, застрявшим в углублении склона долины, то потенциальный барьер — это выступающая кочка, придающая этому углублению форму кармана. Согласно нашему лучшему предположению относительно формы потенциала поля Хиггса, этот карман довольно глубок и отделен от минимума, соответствующего истинному вакууму, высоким горным хребтом. Количество энергии, которое потребовалось бы для того, чтобы перебросить камешек через хребет или заставить поле Хиггса преодолеть его потенциальный барьер , настолько велико, что об этом не стоит беспокоиться. Вот только… мы живем во Вселенной, которая не подчиняется подобным правилам. В основе нашего космоса лежит квантовая механика, а она говорит о том, что если вы существуете в субатомном масштабе, путь, по которому вы добираетесь из одного места в другое, изредка может быть проложен прямо сквозь твердые объекты.
Если вы стоите перед стеной, то вместо того, чтобы перепрыгивать через нее, вы можете просто пройти насквозь. 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.