Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна?

в 9:00, , рубрики: ruvds_статьи, астрономия, Блог компании RUVDS.com, Вселенная, квантовая физика, квантовое туннелирование, Научно-популярное, физика

Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна? - 1


Существуют определённые свойства Вселенной, которые мы считаем самими собой разумеющимися, нравятся они нам или нет. Мы полагаем, что законы физики во всех точках пространства и во все моменты времени остаются такими же, какие они здесь и сейчас. Предполагается, что фундаментальные константы, описывающие различные физические свойства нашей Вселенной, действительно сохраняют одинаковое, постоянное значение в любое время и в любом месте. Тот факт, что Вселенная работает в согласии с этими предположениями — по крайней мере, в пределах наших наблюдений — вроде бы поддерживает эту точку зрения, накладывая сильные ограничения на возможности изменения этих аспектов реальности.

Везде и всегда там, где мы можем измерить фундаментальные физические свойства Вселенной, или сделать выводы о них, оказывается, что они не меняются во времени или пространстве: они одинаковы для всех. Но раньше во Вселенной происходили изменения: переходы от более высокоэнергетических состояний к более низкоэнергетическим. Некоторые состояния, спонтанно возникшие в высокоэнергетических условиях, уже не могли сохраняться при более низких энергиях, что делало их нестабильными. У нестабильных состояний есть одна общая черта: они распадаются. И в одном из самых неприятных озарений для нас оказалось, что ткань нашей Вселенной сама по себе может быть одной из таких нестабильных вещей. Вот что мы знаем сегодня о том, насколько опасно наше дальнейшее существование.

В любой физической системе — то есть системе, состоящей из частиц, взаимодействующих посредством одной или нескольких сил — существует по крайней мере один способ их расположить, чтобы их состояние стало более стабильным, чем все остальные. Это то, что мы называем состоянием с наименьшей энергией, или основным состоянием системы.

У планет сфероидальная форма, вытекающая из принципов гидростатического равновесия, с более плотными элементами в центре и менее плотными элементами на окраинах. Со временем они также стремятся к более стабильному состоянию, поскольку каждое крупное землетрясение изменяет распределение массы Земли, побочным эффектом которого становится ускорение её вращения.

Планеты в звёздных системах обычно выстраиваются в резонансные, почти круговые орбиты, поскольку их взаимное гравитационное влияние со временем «сглаживает» неровности, иногда ценой гравитационного выброса одного или нескольких членов за пределы системы.

Шары, помещённые на холмистую поверхность, будут стремиться скатиться в долину внизу, обретая покой на её дне — на минимально возможной высоте, которой им позволили достичь начальные условия.

Только в этом последнем примере есть подвох: иногда, если условия не совсем идеальные, ваш шарик не окажется в состоянии с наименьшей энергией. Иногда он может скатиться в долину, расположенную ниже точки старта, но не совпадающую с истинно основным состоянием системы. Такое состояние может проявляться естественным образом для самых разных физических систем, и мы обычно представляем себе, что система «зависла» в некоем ложном минимуме. Даже если в основном состоянии, на истинном минимуме, она была бы энергетически более стабильна, она не обязательно сможет добраться туда самостоятельно.

Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна? - 2

▍ Что можно сделать, если вы застряли в ложном минимуме?

Для классической системы единственным решением будет путь Сизифа: нужно будет ввести в систему достаточно энергии (независимо от того, кинетическая это энергия, химическая, электрическая и т. д.), чтобы «выбить» её из ложного минимума. Если вы сможете преодолеть следующий энергетический барьер, у вас появится возможность оказаться в ещё более стабильном состоянии: состоянии, которое приблизит вас к основному состоянию, а возможно, и приведёт к нему полностью. Только в истинном основном состоянии невозможен переход в ещё более низкоэнергетическое состояние.

Это верно для классической системы. Но Вселенная не является чисто классической по своей природе; мы, скорее, живём в квантовой Вселенной. Квантовые системы подвергаются тем же типам реорганизации, что и классические системы, когда добавление энергии может вывести их из неустойчивых равновесных состояний. Но кроме этого у них есть ещё один вариант развития событий: квантовое туннелирование.

Квантовое туннелирование — это вероятностный эффект, не требующий того, что можно назвать «энергией активации» — система и так может преодолеть «холм», удерживающий её в неустойчивом равновесном состоянии. Вместо этого, в зависимости от специфики (например, насколько далеко поле находится от истинного равновесного состояния и насколько высок барьер, мешающий системе покинуть ложный минимум, в котором она застряла) существует определённая вероятность того, что она спонтанно покинет своё неустойчивое равновесное состояние и внезапно окажется в более стабильном (или даже истинном) минимуме всей квантовой системы.

В отличие от чисто классического случая, это может произойти спонтанно, без внешнего, энергетического воздействия или иного толчка.

Среди некоторых распространённых примеров квантовых систем, в которых наблюдается туннелирование, находятся атомы и составляющие их частицы.

Например, электроны в атомах часто оказываются в возбуждённом состоянии: когда они находятся на более высоком энергетическом уровне, отличном от основного состояния. Часто это происходит потому, что другие электроны находятся в этих более низких энергетических состояниях. Если все они заняты, то электрон находится в своей самой низкоэнергетической конфигурации. Иногда в этих низкоэнергетических состояниях появляются «дырки», и электроны с более высокой энергией спонтанно каскадируют вниз, излучая при этом энергию. Но в других случаях — из-за таких тонких эффектов, как спин-орбитальное взаимодействие или сверхтонкая структура — существует более стабильное состояние, но спонтанный переход в неё правилами квантовой механики запрещён. Тем не менее, система может покинуть нестабильное равновесное состояние и прийти в основное состояние посредством квантового туннелирования. Яркий пример такого эффекта — знаменитая радиолиния нейтрального водорода.

Атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, всегда имеют наиболее стабильную конфигурацию для любого уникального числа протонов и нейтронов, составляющих это ядро. Однако для очень тяжёлых ядер иногда это ядро будет более стабильным, если один из его нейтронов радиоактивно распадётся или если оно испустит ядро гелия-4 (с 2 протонами и 2 нейтронами), а затем изменит свою конфигурацию на новую. Эти вероятностные по своей природе квантовые распады также спонтанно туннелируют из менее стабильного состояния в более стабильное.

Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна? - 3

▍ А знаете, что есть крайний случай квантовой системы?

Само пустое пространство. Пустое пространство даже без присутствия каких-либо частиц, квантов или внешних полей всё равно обладает внутренним ненулевым количеством энергии. Это подтверждается наблюдаемым влиянием тёмной энергии, и хотя она соответствует очень малой плотности энергии — едва ли больше, чем энергия протона на кубический метр пространства, — это всё равно положительное, конечное, ненулевое значение.

Мы также знаем, что независимо от того, как вы попытаетесь «очистить» любую конкретную область пространства, вы не сможете избавиться от фундаментальных квантовых полей, реализующих взаимодействия и силы, присущие Вселенной. Как не может быть «пространства» без законов физики, так не может существовать область пространства без присутствия в ней квантовых полей, обусловленных (по меньшей мере) правилами Стандартной модели.

Долгое время считалось, хотя это и не было проверено, что поскольку мы не знаем, как рассчитать энергию, присущую пустому пространству (то, что теоретики квантового поля называют вакуумным средним значением или матожиданием вакуума) любым способом, не приводящим к полной бессмыслице, то, вероятно, в итоге все эти эффекты взаимно уничтожаются. Но измерение воздействия тёмной энергии, а также то, что она влияет на расширение Вселенной, и то, что у неё должно быть положительное, ненулевое значение, говорит нам, что всё это не получится просто так аннулировать. Квантовые поля, пронизывающие всё пространство, придают положительное, ненулевое значение квантовому вакууму.

Итак, главный вопрос: является ли значение, которое мы измеряем для тёмной энергии сегодня, тем самым значением, которое Вселенная признает своим «истинным минимумом» вклада квантового вакуума в плотность энергии пространства?

Если это так, то всё хорошо: Вселенная будет стабильна во веки веков, поскольку у неё нет состояния с более низкой энергией, в которое она могла бы квантово туннелировать.

Но если мы не находимся в истинном минимуме и существует истинный минимум, который на самом деле представляет собой более стабильную, низкоэнергетическую конфигурацию, чем та, в которой мы со всей нашей Вселенной сейчас находимся, тогда всегда есть вероятность, что мы в конечном итоге квантово туннелируем в это состояние истинного вакуума.

Этот последний вариант, к сожалению, не так уж хорош. Напомним, что состояние вакуума зависит от фундаментальных законов, квантов и констант, лежащих в основе нашей Вселенной. Если мы спонтанно перейдём из нашего нынешнего вакуумного состояния в другое, более низкоэнергетическое, то пространство не просто примет другую конфигурацию. На самом деле в результате во Вселенной внезапно заработает другой набор физических законов, появится другой набор квантовых взаимодействий, и/или другой набор фундаментальных констант.

И если бы такое изменение произошло спонтанно, то оно привело бы к катастрофическому концу Вселенной.

Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна? - 4

Визуализация расчётов квантовой теории поля, демонстрирующих виртуальные частицы в квантовом вакууме

Если квантовый вакуум переходит из состояния ложного вакуума в состояние истинного вакуума, то всё, что мы считаем связанным состоянием квантов (например, протоны и нейтроны, атомные ядра, атомы и всё, из чего они состоят), немедленно разрушается. Поскольку фундаментальные частицы, из которых состоит реальность, перестроятся в соответствии с этими новыми правилами, всё — от молекул до планет, звёзд и галактик будет разрушено, включая человека и любые живые организмы.

Не зная, что представляет собой истинное состояние вакуума, и какими новыми наборами законов, взаимодействий и констант будут заменены наши нынешние, мы не можем предсказать, какие новые структуры в нём возникнут. Но мы понимаем, что все наблюдаемые нами сегодня структуры прекратили бы своё существование, и что где бы ни произошёл этот переход, он распространился бы наружу со скоростью света, «заражая» всё новое пространство по мере расширения этого «пузыря». Даже если Вселенная расширяется, и даже если это расширение ускоряется за счёт тёмной энергии, если бы подобное событие распада вакуума произошло сию секунду где-нибудь в пределах 18 миллиардов световых лет от нас, оно в конечном итоге достигло и нас, разрушив каждый атом со скоростью света.

▍ Действительно ли нам стоит беспокоиться о подобных вещах?

Возможно. Есть определённый набор параметров, которые мы должны оценить, чтобы выяснить, живём ли мы в истинно стабильной Вселенной, квантовый вакуум которой никогда не распадётся, или же в метастабильной Вселенной, где мы находимся как раз в одном из этих «ложных минимумов».

В контексте квантовой теории поля это означает, что если мы возьмём свойства Стандартной модели, в том числе и набор частиц, существующих во Вселенной, добавим взаимодействия, существующие между частицами, и отношения, которые управляют универсальными правилами, то мы сможем измерить все параметры всех существующих частиц и определить, во Вселенной какого типа мы живём.

В настоящее время двумя наиболее важными параметрами для проведения такого расчёта являются масса истинного кварка и бозона Хиггса. Наилучшее приближение к значению массы т-кварка составляет 171,77±0,38 ГэВ, а наилучшее приближение к значению массы бозона Хиггса — 125,38±0,14 ГэВ. И эти значения оказываются очень близко к границе между метастабильностью и стабильностью. На графике ниже синяя точка и три синих круга обозначают 1-сигма, 2-сигма и 3-сигма отклонения от среднего значения.

Действительно ли Вселенная фундаментально нестабильна? - 5

Означает ли это, что Вселенная действительно находится в метастабильном состоянии, и квантовый вакуум может однажды распасться и там, где находимся мы с вами? Ведь это приведёт к катастрофическому концу Вселенной, сильно отличающемуся от медленной, постепенной тепловой смерти, которую мы можем ожидать в ином случае?

Это зависит от того, на какой стороне этой кривой мы находимся, правильно ли мы определили все основные законы физики и факторы, способствующие возникновению квантового вакуума, правильно ли мы провели наши расчёты, правильно ли записали основные уравнения, и точны ли наши измерения масс частиц Вселенной. Мы знаем, по крайней мере, следующее: нам необходимо более точное определение всех параметров, а значит, нам нужно изучать как можно больше т-кварков и бозонов Хиггса и постоянно повышать точность их измерения.

Возможно, Вселенная в основе своей нестабильна, но если это и так, то мы всё равно никогда не увидим, как этот пузырь разрушения, вызванный вакуумным распадом, движется в нашу сторону. Ни один сигнал, несущий информацию, не может двигаться быстрее света, а это значит, что если вакуум действительно распадётся, то наше первое предупреждение о его появлении совпадёт с нашей мгновенной гибелью. Тем не менее, если наша Вселенная действительно фундаментально нестабильна, хотелось бы знать об этом заранее.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️

Автор:
ru_vds

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js