Интересный факт дня: Вселенная может закончиться распадом вакуума

Вселенная может быть не такой стабильной, как вы думаете.

8 декабря 2021, 15:00 | Автор: Максим Григорьев

Интересный факт дня: Вселенная может закончиться распадом вакуума

Небольшое изменение в бозоне Хиггса может изменить Вселенную / pixabay.com

Так наступает конец света: не взрывом, а квантовым вакуумным распадом основного состояния Вселенной до его истинного минимума.

В прошлом Вселенная претерпевала радикальные фазовые переходы. Эти переходы в конечном итоге привели к разделению четырех фундаментальных сил природы и множества частиц, которые мы знаем сегодня. Все это произошло, когда Вселенной было меньше секунды, и с тех пор она остается стабильной.

Но это может не длиться вечно.

Чтобы понять стабильность Вселенной, сначала нам нужно поговорить о фазовых переходах. Фазовые переходы - это когда вещество претерпевает быстрое радикальное преобразование. Они случаются постоянно. Вы кипятите воду, и она превращается из жидкости в газ. Вы охлаждаете ту же воду, и она превращается в глыбу льда.

Возможно, самые экзотические фазовые переходы происходят с квантовыми полями. Квантовые поля - это фундаментальные строительные блоки Вселенной. Любая частица - скажем, фотон или электрон - на самом деле просто локальное проявление лежащего в основе поля. Это поле пропитывает все пространство и время, как хлеб, смоченный в оливковом масле. То, как эти поля взаимодействуют и сообщаются друг с другом, составляет силы и физику нашего существования.

Это существование основано на четырех фундаментальных силах: гравитации, слабой силе, электромагнетизме и сильной силе. Но так было не всегда. В самые ранние моменты существования космоса эти силы были объединены. По мере расширения и охлаждения Вселенной квантовые поля претерпевали фазовые переходы, разделяясь одно за другим.

Последний фазовый переход произошел, когда электромагнитная сила отделилась от слабой силы. Это расщепление привело к возникновению фотона и бозонов W и Z, переносчиков этих двух сил.

После того события, которое произошло, когда Вселенной не было и секунды, все было стабильно - больше никаких расщеплений, никаких фазовых переходов. Четыре силы природы продолжали формировать и формировать эволюцию космоса на протяжении миллиардов лет.

На вид все стабильно - по крайней мере, пока.

Стабильность Вселенной сложно измерить. Несомненно, прошло более 13 миллиардов лет с тех пор, как произошло что-либо столь же интересное, как фазовый переход. Да, 13 миллиардов лет - это действительно большой срок, но в мире квантовых полей может случиться все, что угодно.

Лучше всего при исследовании стабильности Вселенной использовать массу бозона Хиггса. Бозон - очень интересная область; его присутствие во Вселенной - это то, что отделяет электромагнитную силу от слабой и поддерживает это расщепление сегодня. Без бозона Хиггса эти силы снова слились бы вместе.

В квантовой физике чем массивнее объект, тем он нестабильнее. Например, массивные частицы быстро распадаются на более легкие. Итак, если бозон очень массивен, он может быть не таким стабильным, как кажется, и когда-нибудь может распасться на что-то другое. Но если бозон достаточно легкий, он, вероятно, будет висеть вечно, и больше нечего сказать о будущем квантовых полей Вселенной.

Измерения Хиггса показали, что его масса ставит Вселенную между режимами "действительно, честно стабильный" и "О нет, это выглядит немного нестабильным". Физики называют это состояние "метастабильным" - ситуация, которая пока стабильна, но может быстро ухудшиться, если что-то пойдет не так.

Кажущаяся метастабильность квантовых полей Вселенной немного тревожит. Хотя это может означать, что Вселенная может существовать миллиарды, даже триллионы лет без каких-либо проблем, это также может означать, что Вселенная уже начинает трансформироваться. Все, что для этого потребуется, - это небольшое потрясение в неправильном направлении, в каком-то случайном участке Вселенной, где бозон развалится, а лежащие в его основе квантовые поля найдут новую, более стабильную конфигурацию. Эта область "новой" Вселенной затем распространилась бы наружу со скоростью, близкой к скорости света, через "старую" Вселенную.

Такой фазовый переход называется "распад ложного вакуума". Он ссылается на идею о том, что вакуум нашей Вселенной является "ложным" - он не так стабилен, как может показаться, и когда-нибудь превратится во что-то новое.

К тому времени, когда мы получили какую-либо информацию о том, что фазовый переход уже наступил, он уже должен был происходить.

Что будет по ту сторону этой новой вселенной? Сказать невозможно. Это могло быть совершенно приземленным, с новыми квантовыми полями, выглядящими точно так же, как старые квантовые поля, и ничего плохого. Это может быть просто небольшая корректировка, например, небольшая настройка на природу темной энергии или небольшая корректировка масс нейтрино. Или это могло быть радикально иначе, когда Вселенная была наполнена совершенно новыми силами, полями и частицами, что сделало бы жизнь (а также химию и атомику) в том виде, в каком мы ее знаем, невозможной.

Конечно, мы даже не уверены на 100% в критерии метастабильности. Мы знаем, что Стандартная модель физики элементарных частиц неполна. Полная версия могла бы переписать наше понимание квантовых полей и того, где проведена линия "стабильно-нестабильно".

Напомним, ранее сообщалось, что странный квантовый эффект может сделать материю невидимой.