Вакуум космического пространства распадётся раньше, чем ожидалось (но всё же не скоро).

Одно из квантовых полей, заполняющих Вселенную, особенное, потому что его значение по умолчанию, по всей видимости, со временем изменится, изменив всё. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Распад вакуума, процесс, который может положить конец Вселенной в том виде, в каком мы её знаем, может произойти в 10 000 раз раньше, чем ожидалось. К счастью, это произойдёт не раньше, чем через очень-очень долгое время.

Когда физики говорят о «вакууме», этот термин звучит так, будто он относится к пустому пространству, и в некотором смысле это так. Более конкретно, он относится к набору параметров по умолчанию, подобно настройкам на панели управления. Когда квантовые поля, пронизывающие пространство, находятся на этих значениях по умолчанию, вы считаете пространство пустым. Небольшие изменения этих параметров создают частицы — немного усилите электромагнитное поле, и вы получите фотон. Большие изменения, с другой стороны, лучше рассматривать как совершенно новые параметры по умолчанию. Они создают другое определение пустого пространства с другими характеристиками.

Одно квантовое поле особенное, потому что его значение по умолчанию может изменяться. Это поле, называемое полем Хиггса, контролирует массу многих фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки. В отличие от всех других квантовых полей, обнаруженных физиками, поле Хиггса имеет значение по умолчанию выше нуля. Изменение значения поля Хиггса вверх или вниз приведет к увеличению или уменьшению массы электронов и других частиц. Если бы значение поля Хиггса было равно нулю, эти частицы были бы безмассовыми.

Мы могли бы оставаться на ненулевом значении по умолчанию вечно, если бы не квантовая механика. Квантовое поле может «туннелировать», переходя к новому, более низкому значению энергии, даже если у него недостаточно энергии для прохождения через промежуточные значения с более высокой энергией, — эффект, подобный туннелированию сквозь твердую стену.

Для этого необходимо наличие более низкого энергетического состояния, в которое можно туннелировать. А до строительства Большого адронного коллайдера физики считали, что текущее состояние поля Хиггса может быть самым низким. Теперь это убеждение изменилось.

Кривая, представляющая энергию, необходимую для различных значений поля Хиггса, всегда напоминала сомбреро с загнутыми вверх полями. Текущее значение поля Хиггса можно представить как шар, покоящийся у основания полей.

Однако тонкие квантовые поправки могут изменить форму кривой. Квантовые поля передают энергию друг другу. Например, квантовые взаимодействия между электронами и электромагнитным полем сдвигают энергетические уровни атомов — эффект, открытый в 1940-х годах.

Для поля Хиггса кривизна полей сомбреро определяется массой бозона Хиггса — элементарной частицы, передающей эффекты поля Хиггса, которая была обнаружена на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Дополнительные поправки к форме кривой вносят частицы, которые сильно взаимодействуют с Хиггсом: частицы с большой массой, такие как топ-кварк, самая тяжелая из известных элементарных частиц. Сравнивая массу бозона Хиггса с массой топ-кварка, физики теперь считают, что сомбреро, скорее всего, снова опускается вниз. При гораздо более высоком значении поля Хиггса существует состояние с более низкой энергией.

В этом случае поле Хиггса в конечном итоге должно было бы туннелировать в это состояние, или «распад». Этот распад начался бы в одном месте, а затем распространился бы, образуя сферический пузырь, растущий со скоростью света и преобразующий Вселенную. Фундаментальные частицы стали бы намного тяжелее, так что гравитация притягивала бы их друг к другу сильнее, чем другие силы удерживали бы их на расстоянии. Атомы бы коллапсировали.

Однако мы не сможем в ближайшее время приблизиться к более высокому значению бозона Хиггса. Физики оценивают вероятность распада вакуума разными способами. Самый прямой метод заключается в учете различных преобразований, необходимых для перехода поля из одного значения в другое — преобразований, нарушающих закон сохранения энергии, что, согласно квантовой механике, может происходить лишь на короткое время, — взвешивая каждый сценарий в зависимости от того, насколько сильно он нарушает такие правила, как закон сохранения энергии. Согласно этим оценкам, в одном кубическом гигапарсеке пространства распад вакуума происходит раз в 10794 года, или цифра 1, за которой следуют 794 нуля — абсурдный промежуток времени. С момента Большого взрыва прошло всего 1010 лет.

Недавно группа физиков из Словении заявила об обнаружении небольшой ошибки в расчетах, которая ускоряет конец Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем, до 10790 лет вместо 10794. Хотя изменение в 10 000 раз может показаться огромным, оно намного меньше, чем неопределенность, связанная с другими частями расчета. Самое важное: ни одна из этих неопределенностей не достаточно велика, чтобы преодолеть эоны, отделяющие нас от ужасов распада вакуума.

Источник: www.quantamagazine.org