Пузырь истинного вакуума расширяется внутри пузыря ложного вакуума в соответствии со специальной теорией относительности, не быстрее скорости света, и уничтожает всю материю первоначального мира. Видео: YouTube/Kurzgesagt Ученые наглядно показали, как распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную. Распад ложного вакуума. На канале Kurzgesagt ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума.
Разрушение пустоты: могут ли физики случайно уничтожить Вселенную
Результаты экспериментов соответствовали численным моделям и подтверждали, что распад ложного вакуума имеет квантово-механическую природу. Ложный вакуум (метастабильный вакуум[1]) — состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с глобально минимальной энергией, а соответствует её локальному минимуму. Британские физики впервые смогли воспроизвести процесс распада «ложного вакуума» при помощи квантового симулятора.
Дыра в ткани реальности, в теории, может уничтожить Вселенную
Это результат плохого понимания вопроса: в реальности первый же такой распад был бы концом света в буквальном смысле слова, а зарегистрировать его было бы некому. Naked Science рассказывает, что произошло на самом деле. Многие российские СМИ дали новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». 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.
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.
То есть оно еще не заняло свою истинную точку с нулевой энергией. Точно так же, как требуется добавление энергии, чтобы сдвинуть мяч с уступа и позволить ему скатиться в долину, например, от удара ногой, может получить толчок энергии и поле Хиггса. Это выведет его из нахождения в состоянии локального минимума энергии и доведет до точки истинной нулевой энергии. Или состояния истинного вакуума. Это и есть вакуумный распад. Энергетический толчок, необходимый для начала этого процесса, мог вполне произойти вблизи горизонта событий крошечных первичных черных дыр. И были даже опасения, что столкновения частиц с чрезвычайно высокими энергиями на Большом Адронном коллайдере могут вызвать этот самый вакуумный распад. При проведении, кстати, работ, по поискам бозона Хиггса как это иронично. Если первичные черные дыры настолько распространены, как предполагают некоторые теории, то маловероятно, что распад не произошел бы за время , прошедшее с момента их образования. Еще в очень и очень молодой Вселенной. А еще Землю постоянно бомбардируют частицы космических лучей из глубин космоса. Некоторые из которых сталкиваются с частицами в нашей атмосфере с энергиями на порядки больше, чем те, что возможны при столкновениях в коллайдере. И если вакуумный распад при таких условиях был бы возможен, это уже давно бы произошло. Хотя это крайне маловероятно с точки зрения как времени, так и пространства, но если бы вакуумный распад произошел где-то возле Земли, мы абсолютно ничего не смогли бы с этим поделать. Скорее всего, мы бы просто ничего не почувствовали. Наш мир просто исчез бы в одно мгновение. Или физика изменилась бы таким образом, что из него, словно по щелчку пальца, просто исчезли бы все живые существа… Понравилась статья? Поделитесь ей в социальных сетях! Огромное спасибо! Оставьте комментарий!
При этой температуре пузыри появляются по мере распада вакуума, и профессор Университета Ньюкасла Ян Мосс и доктор Том Биллам смогли убедительно показать, что эти пузыри являются результатом термически активированного распада вакуума. В физике элементарных частиц распад бозона Хиггса в вакууме изменил бы законы физики, вызвав то, что было описано как «окончательная экологическая катастрофа» — говорит Ян Мосс, профессор теоретической космологии в Школе математики, статистики и физики Университета Ньюкасла. Исследование открывает новые возможности в понимании ранней Вселенной, а также ферромагнитных квантовых фазовых переходов. Этот новаторский эксперимент — лишь первый шаг в изучении распада вакуума.
Распад нестабильного вакуума
Во многом он основан на статистической физике и квантовой теории поля, составляющими основу так называемого формализма космологических пузырей. В таком подходе считается, что наблюдаемый мир существует в ложном вакууме. Это состояние, скорее всего, носит метастабильный характер — вся Вселенная или та ее часть, которую видит человек, может находиться в стабильном состоянии огромный по космологическим масштабам промежуток времени, который, однако, конечен. Внутри пузыря ложного вакуума может возникнуть пузырь истинного вакуума. Эволюция Вселенной в этом случае происходит за счет распада первоначального метастабильного состояния.
Пузырь истинного вакуума расширяется внутри пузыря ложного вакуума в соответствии со специальной теорией относительности, не быстрее скорости света, и уничтожает всю материю первоначального мира. Поэтому и говорят о возможной гибели наблюдаемой Вселенной. Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. Главное, что необходимо сделать, — это оценить вероятность рождения пузыря новой космологической фазы.
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.
Если энергия "связанного состояния" попадет в резонанс с отрицательной энергией электронных уровней, то ион сможет захватить два "морских" электрона, попутно испуская два позитрона.
Такой процесс можно интерпретировать как распад старого нейтрального вакуума и образование нового вакуумного состояния с ненулевым электрическим зарядом подчеркнем, что такой распад вакуума не имеет ничего общего с распадом ложного вакуума. Впервые такой "распад нейтрального вакуума" в 1969 году теоретически обнаружили Семен Герштейн и Яков Зельдович. К сожалению, на практике распад нейтрального вакуума увидеть до сих пор не удалось.
Поэтому до сих пор физики не смогли проверить на практике предсказания теоретиков. Тем не менее, группа ученых под руководством Владимира Шабаева придумала способ, с помощью которого можно очистить позитроны, сопровождающие распад вакуума, от фоновых загрязнений. Для этого физики заметили, что вероятность рождения электрон-позитронных пар хитрым образом зависит от скорости ионов перед столкновением.
Другими словами, исследователи рассмотрели столкновение двух ионов с заданными зарядами, численно рассчитали вероятность образования электрон-позитронных пар и нашли параметр распределения, который принимает разные значения в случаях, когда суммарный заряд ионов меньше или больше критического заряда. Поскольку рассчитать вероятность рождения электрон-позитронных пар на фоне движущихся ионов очень сложно даже численно, ученые сделали несколько приближений.
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. Вероятность туннелирования зависит от квантовых поправок в потенциал Хиггса, в частности от вклада тяжелых частиц. В настоящее время самой тяжелой элементарной частицей считается топ-кварк — его масса превышает 173 гигаэлектронвольт.
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. В таком подходе считается, что наблюдаемый мир существует в ложном вакууме.
Ученые получают доказательства распада ложного вакуума
Смотрите видео на тему «распад ложного вакума» в TikTok (тикток). Однако существует и некоторый скептицизм относительно того, что такие процессы действительно могут инициировать распад вакуума. Ученые наглядно показали, как распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную.
Ученые рассказали о смерти Вселенной из-за распада вакуума
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. Такая конфигурация называется инстантоном. Поскольку уравнения движения выводятся исходя из принципа наименьшего действия , на инстантонах действие поля принимает наименьшее значение. С другой стороны, в функциональном интеграле , который описывает вероятность распада, действие стоит в показателе быстро осциллирующей экспоненты — следовательно, инстантоны будут давать наибольший вклад в эту вероятность. Зависимость величины поля слева и энергии справа от расстояния до центра пузырька.
Легко увидеть, что поле плавно переходит из истинного вакуума в ложный. Для этого Коулман использовал приближение тонкой стенки, в котором поле резко переходит из истинного вакуума внутри пузырька в ложный вакуум снаружи, то есть предполагал, что размеры переходной области много меньше размеров пузырька. При этом до последнего времени было неизвестно, насколько оправдано такое приближение — другими словами, было неясно, насколько велика погрешность рассчитанной таким образом скорости распада. Цветом отмечена область интегрирования. Оказалось, что нижней границей, как и предполагалось, является результат Коулмена, в котором натяжение стенки минимально, а верхняя граница находится из предположения, что поле полностью протуннелировало из ложного вакуума в истинный.
Оказалось, что нижней границей, как и предполагалось, является результат Коулмена, в котором натяжение стенки минимально, а верхняя граница находится из предположения, что поле полностью протуннелировало из ложного вакуума в истинный. Каждое из неравенств ученый доказывал по-разному. Чтобы доказать первое утверждение, физик изменил потенциал поля специальным способом, добавив в него разрыв. Пробный потенциал, сконструированный Брауном, и зависимость поля от расстояния до центра пузырька в таком потенциале. D Кроме того, теоретик обобщил эти результаты, включив в рассмотрение гравитацию, то есть предполагая, что энергия поля искривляет пространство-время. В этом случае скорость распада зависит не от разности уровней ложного и истинного вакуума, но от каждого из значений по отдельности. Доказательство в данном случае также разбивается на рассмотрение двух частных случаев, в одном из которых изменение энергии при образовании пузырька неограниченно растет при увеличении радиуса пузырька, а в другом — неограниченно снижается. Изменение действия при создании пузырька в зависимости от его радиуса: два принципиально различных случая. Зависимость для изменения энергии выглядит аналогично. D Все рассуждения в данной работе выполнялись в предположении пустого пространства, однако присутствие сингулярностей в виде черных дыр, особенно черных дыр малой массы, могло бы изменить скорость распада ложного вакуума.
Тем не менее, в ноябре прошлого года японские физики-теоретики показали , что существенного увеличения скорости перехода и метастабильного состояния в стабильное рядом с черными дырами наблюдаться не должно — черные дыры обязательно окружены температурным фоном частиц из-за излучения Хокинга, который необходимо учитывать при расчете вероятности образования пузырька истинного вакуума.
Ferrari из Трентского университета провела эксперимент с переохлажденным газом, состоящим из атомов изотопа натрия-23 23Na. Газ удерживался в оптической ловушке и охлаждался до экстремально низкой температуры, при которой переходил в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна. 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.
Бозе-конденсат — это особое состояние материи, возникающее при охлаждении бозонов почти до абсолютного нуля. В таких условиях бозоны занимают одно и то же основное квантовое состояние, ведя себя как единая «размытая» частица. Это создает квантовые эффекты, видимые невооруженным глазом, включая сверхтекучесть — способность жидкости течь без трения.
Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой"
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 Опубликовано в журнале Физика природы Полученные результаты дают экспериментальные доказательства образования пузырьков в результате ложного распада вакуума в квантовой системе. Многие российские СМИ новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». Многие российские СМИ новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». С такого пузыря начинается квантовый распад ложного вакуума в теориях с неравноправными вакуумами. 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.
Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума
Кроме того, ученый обобщил этот результат, включив в рассмотрение гравитацию — оказалось, что в этом случае нижняя граница исчезает, однако верхняя выглядит так же, как и в случае плоского пространства. Статья опубликована в Physical Review D. В квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей, которые отсчитываются от некоторого состояния с наименьшей возможной энергией, называемого вакуумом. Эти поля пронизывают все пространство Вселенной, так что назвать ее абсолютно пустой нельзя. Для большинства полей Стандартной модели потенциал устроен таким образом, что полю энергетически выгодно скатиться в нулевое состояние — качественно такой потенциал выглядит как ямка, которая симметрична относительно оси, проходящей через начало координат. 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 настоящее время самой тяжелой элементарной частицей считается топ-кварк — его масса превышает 173 гигаэлектронвольт. Именно поэтому открытия новых тяжелых частиц так важны для космологических моделей — это может повлиять на прогнозы стабильности наблюдаемого мира. Особая роль в распаде вакуума у гравитации — кривизны пространства-времени.
В частности, микроскопические черные дыры, которые могут возникать при столкновениях частиц высоких энергий, в сотни раз повышают вероятность рождения в их окрестностях пузырей с истинным вакуумом. Динамика космологических пузырей еще сложнее, если внутри первоначальной Вселенной формируется несколько пузырей — расширяясь и сталкиваясь друг с другом, они создают новый мир с истинным вакуумом. Сегодня неизвестно, в каком состоянии находится Вселенная. Если это истинный вакуум, то волноваться не о чем.
Если ложный, то, скорее всего, тоже — размеры наблюдаемой Вселенной слишком велики, чтобы новый пузырь, расширяющийся со скоростью света, в сколь-нибудь разумное по меркам человека время заполнил весь мир. Однако есть исключение — если новая фаза каким-либо образом возникнет в непосредственной близости от человечества. Тогда Земля может погибнуть практически мгновенно.
В одной из гипотез « раздувающейся Вселенной » из ложного вакуума вскоре после появления Вселенной могла образоваться не одна, а множество метагалактик в том числе и наша [2] , в таком случае Большой взрыв — переход ложного вакуума в обычный [3]. Оценка времени жизни метастабильного вакуума в Стандартной модели для наблюдаемой Вселенной лежит в диапазоне от 1058 до 10241 лет ввиду неопределённостей в параметрах частиц, главным образом в массах топ-кварка и бозона Хиггса [4] По теории, между зонами истинного и ложного вакуума должна быть промежуточная зона, в которой ложный вакуум становится истинным [5]. Есть гипотеза, что мы живём в ложном, а не истинном вакууме [6].
Уровень, в котором оказалась гиря — отнюдь не самый низкий в доме. Просто она не смогла пробить пол и добраться до второго этажа, не говоря уж о первом. Самый глубокий минимум энергии поля называется истинным вакуумом. В нашей аналогии это уровень земли. Все остальные минимумы, если они есть пол на верхних этажах — ложные вакуумы. До поры до времени ложный вакуум ведет себя как истинный. Жить на третьем этаже так же комфортно, как и на первом. А если никогда не покидать квартиры и не смотреть в окна, можно и не узнать, на каком этаже живешь. Вселенная — огромный дом без окон и дверей. Поэтому не так уж просто понять, истинный наш вакуум или ложный, а если ложный, сколько под нами этажей.
Физик уточнил скорость распада ложного вакуума
Их место только в «неровном» многомерном пространстве-времени. Другими словами, как замечает чешский теоретик струн Лубос Мотл, пузырь из ничего не опасен, потому что, если это должно было случиться, это должно было уже случиться. Таким образом, нам не нужно беспокоиться о том, что пузырь ничего поглотит все пространство-время. Но если вам интересно, как выглядела Вселенная до Большого взрыва, то, безусловно, стоит изучить теорию пузырей ничего внимательнее. Вот если в Чёрной дыре случится полный П, то тогда будет пузырь, он схлопнет всё и сразу, может начнётся новый Взрыв, может нет - хз. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
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. Сходство между частицами, например, в плане заряда, массы или спина, может многое рассказать нам об особенностях их формирования и связях с фундаментальными взаимодействиями. Организация частиц с учетом их сходства позволяет физикам выявлять симметрии, которые могут оказаться основополагающими для целых теорий. Иногда эти закономерности легче всего представить математически. Если вы обнаружите, что в уравнении, описывающем некий физический процесс, можно поменять местами несколько переменных, не повлияв на описываемое явление, значит, вы обнаружили математическую симметрию. И это, вероятно, может кое-что рассказать вам о лежащих в основе данного явления частицах или полях. Основанный на симметрии способ рассмотрения частиц и их взаимодействий получил такое распространение в физике, что мы часто используем обозначения математических симметрий в качестве названий самих теорий. Например, электромагнетизм часто называют и 1 — теорией, поскольку некоторые из его математических аспектов имеют тот же тип симметрии, что и окружность сокращением «U 1 » обозначается математическая группа поворотов окружности. Нарушение симметрии — это событие, в результате которого условия внезапно изменяются таким образом, что теория, описывающая взаимодействия частиц, приобретает другую, менее симметричную структуру. После этого уже нельзя будет делать перестановки в уравнениях, а нарушение симметрии отразится и в физическом мире в виде изменения поведения частиц. Некоторые используемые физиками симметрии являются абстрактными и могут быть выражены лишь математически, однако среди них есть и вполне привычные. О вращательной симметрии речь идет тогда, когда нечто выглядит одинаково при повороте на некоторый угол например, окружность или пятиконечная звезда. Трансляционная симметрия означает, что нечто выглядит одинаково при сдвиге в сторону например, длинный забор, сдвинутый на расстояние одной планки, или длинная прямая линия, смещенная на несколько сантиметров. Нарушение симметрии предполагает такое изменение ситуации, в результате которого симметрия перестает работать. Бокал обладает идеальной симметрией вращения до тех пор, пока где-то на его кромке не появится след от губной помады. Забор обладает трансляционной симметрией до тех пор, пока не сломается одна из его планок. Даже на званом обеде может произойти нарушение симметрии, особенно после подачи спиртных напитков. 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.
Некоторые считают этот факт признаком того, что поле Хиггса не является стабильным, как другие квантовые поля. А на самом деле оно просто метастабильно. То есть при фазовом переходе, который привел к отделению поля Хиггса, оно застряло со своей псевдонулевой энергией на локальном энергетическом минимуме. А не на истинном глобальном минимуме. Это похоже на то, как мяч, катящийся с холма, зацепляется за выступ, вместо того, чтобы пролететь полностью весь склон. То есть мяч этот условно стабилен. Но имеет запас потенциальной энергии, не равный нулю относительно подножия холма. Таким образом, поле Хиггса демонстрирует ложный вакуум. То есть оно еще не заняло свою истинную точку с нулевой энергией. Точно так же, как требуется добавление энергии, чтобы сдвинуть мяч с уступа и позволить ему скатиться в долину, например, от удара ногой, может получить толчок энергии и поле Хиггса. Это выведет его из нахождения в состоянии локального минимума энергии и доведет до точки истинной нулевой энергии. Или состояния истинного вакуума. Это и есть вакуумный распад. Энергетический толчок, необходимый для начала этого процесса, мог вполне произойти вблизи горизонта событий крошечных первичных черных дыр. И были даже опасения, что столкновения частиц с чрезвычайно высокими энергиями на Большом Адронном коллайдере могут вызвать этот самый вакуумный распад. При проведении, кстати, работ, по поискам бозона Хиггса как это иронично. Если первичные черные дыры настолько распространены, как предполагают некоторые теории, то маловероятно, что распад не произошел бы за время , прошедшее с момента их образования. Еще в очень и очень молодой Вселенной. А еще Землю постоянно бомбардируют частицы космических лучей из глубин космоса. Некоторые из которых сталкиваются с частицами в нашей атмосфере с энергиями на порядки больше, чем те, что возможны при столкновениях в коллайдере.
В теоретической физике такое состояние принято называть вакуумом. Вопреки своему названию такой вакуум не является пустым — на самом деле в нем постоянно рождаются и умирают виртуальные пары частица-античастица. Однако энергия такого «бульона» из виртуальных частиц все-таки меньше, чем энергия «супа» с примесью частиц настоящих. Для большинства полей, которые описывает Стандартная модель, энергетически выгодно скатиться в такое вакуумное, нулевое состояние — графически такой потенциал выглядит как ямка, которая симметрична относительно оси, проходящей через начало координат. 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 — то есть полем Хиггса. По современным представлениям, на больших энергиях потенциал поля Хиггса загибается вниз, чтобы образовать вторую ямку, расположенную ниже той ямки, в которой мы живем.
Позитроны укажут на распад вакуума при столкновении тяжёлых ионов
В этом видео поговорим о космической пустоте, о распаде ложного вакуума, о том насколько такое событие вероятно, и как это может произойти. Однако существует и некоторый скептицизм относительно того, что такие процессы действительно могут инициировать распад вакуума. Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. В случае ложного вакуума вероятность того, что большая область пространства туннелирует в состояние истинного вакуума, совершенно ничтожна. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума.