Что удерживает Вселенную от катастрофы? Физики нашли квантовый «замок»

Представьте Вселенную, фундаментальные свойства которой удерживаются в состоянии, не являющемся самым устойчивым из возможных. Теоретически квантовое поле способно внезапно перейти в более низкое энергетическое состояние, радикально изменив физику окружающего мира. Новая работа предлагает неожиданный механизм, способный затруднить такой переход: сама окружающая среда может действовать как своеобразный квантовый замок.

Чтобы понять идею, сначала придётся отказаться от бытового представления о вакууме как об абсолютной пустоте. В квантовой теории поля вакуум — это состояние поля с определённой энергией. Причём энергетический ландшафт способен содержать несколько минимумов.

Удобная аналогия — горная местность с долинами разной глубины. Самая глубокая соответствует истинному вакууму — минимально возможной энергии. Но шарик может лежать и в менее глубокой долине, отделённой от настоящего минимума высоким хребтом. Такое состояние называют ложным вакуумом.

В классической физике шарик не выберется из долины, если ему не хватает энергии подняться через перевал. Квантовая механика разрешает гораздо более странный путь. Существует ненулевая вероятность проникнуть сквозь энергетический барьер посредством квантового туннелирования.

Для космологии это имеет фундаментальное значение. В качестве известного примера исследователи упоминают поле Хиггса, значение которого связано с массами элементарных частиц. Некоторые расчёты в рамках Стандартной модели допускают, что нынешнее состояние поля Хиггса может быть метастабильным: где-то в его потенциальном энергетическом ландшафте теоретически способен существовать более глубокий минимум.

Если бы произошёл переход в радикально другое вакуумное состояние, свойства частиц и взаимодействий могли бы измениться. Однако новая работа непосредственно не рассчитывает судьбу реального поля Хиггса. Оно используется как наглядный пример того, почему физиков вообще интересует устойчивость ложного вакуума.

Исследователи построили упрощённую модель поля в расширяющейся Вселенной и добавили важную деталь, которой часто пренебрегают в идеализированных расчётах: окружающую среду.

Ни одно реальное квантовое поле не существует совершенно изолированно. Оно взаимодействует с другими полями и степенями свободы. Такие взаимодействия способны вызвать декогеренцию — процесс, при котором хрупкие квантовые суперпозиции теряют способность проявлять интерференцию и система начинает вести себя всё более классически.

Похожая проблема хорошо известна разработчикам квантовых компьютеров. Кубит полезен именно благодаря способности поддерживать квантовую суперпозицию, но малейшее взаимодействие с неконтролируемым окружением способно разрушить когерентность. Поэтому квантовые устройства приходится чрезвычайно тщательно изолировать.

В космосе полной изоляции тоже нет. И именно здесь авторы получили интересный результат.

Сначала они изучили, от чего зависит выбор поля между двумя возможными вакуумами. Оказалось, что окружение в их модели не является главным фактором первоначального выбора. Значительно важнее соотношение между собственной динамикой поля и скоростью расширения Вселенной — масштабом Хаббла.

Если поле достаточно «тяжёлое» относительно этого масштаба, оно способно быстро реагировать на изменение условий и с высокой вероятностью направляется к истинному, более глубокому вакууму.

С лёгким полем ситуация меняется. Если пространство расширяется быстрее, чем поле успевает приспособиться, сохраняется заметная вероятность оказаться в локальном, ложном минимуме. И вот после этого роль окружающей среды становится гораздо интереснее.

В полностью изолированной квантовой системе возможность туннелирования между минимумами сохранялась бы. Но взаимодействие с окружением вызывает декогеренцию. Суперпозиция состояний, связанных с разными вакуумами, разрушается, поле локализуется около одного минимума, а дальнейший переход оказывается сильно подавлен.

Авторы назвали это cosmic lockdown — «космической изоляцией» или своеобразной космической блокировкой. Окружение не обязательно определяет, в какую долину первоначально попадёт поле, но, когда выбор уже произошёл, оно способно затруднить побег.

Физическая аналогия связана с квантовым эффектом Зенона. В квантовой механике достаточно частое взаимодействие, получающее информацию о состоянии системы, при определённых условиях способно подавлять её переход в другое состояние. Отсюда знаменитая упрощённая формулировка: «наблюдаемый квантовый котёл не закипает».

Но никакого сознательного наблюдателя здесь не требуется. Окружающая среда сама постоянно взаимодействует с системой и фактически получает информацию о её состоянии. Именно это разрушает когерентность.

Возникает парадокс. Обычно декогеренцию воспринимают как врага квантовых эффектов. Она разрушает суперпозиции и мешает работе квантовых технологий. В рассматриваемой космологической модели именно это разрушение квантовой когерентности потенциально становится стабилизирующим фактором.

Если поле уже находится в ложном вакууме, декогеренция может сделать туннелирование к другому состоянию менее вероятным. Иными словами, то, что уничтожает квантовую хрупкость, одновременно способно защищать существующее состояние от квантового перехода.

Звучит как хорошая новость для нашей Вселенной, особенно на фоне популярной идеи о возможном распаде вакуума Хиггса. Но здесь необходима серьёзная оговорка.

Авторы не показали, что реальное поле Хиггса стабилизировано именно таким способом. Их модель намеренно упрощена. Чтобы понять, работает ли механизм в физически реалистичной космологии и применим ли он к Стандартной модели, потребуются значительно более сложные расчёты.

Тем более метастабильность вакуума Хиггса сама зависит от чрезвычайно точных значений параметров элементарных частиц и от возможной физики за пределами Стандартной модели. Даже вопрос о точной структуре потенциальной энергии на экстремальных масштабах остаётся предметом исследований.

Поэтому новая работа не говорит, что физики нашли защитный механизм, гарантированно спасающий Вселенную от уничтожения. Она демонстрирует более общий принцип: взаимодействие квантового поля с окружением способно радикально изменить вероятность перехода между вакуумными состояниями.

И здесь появляется красивый физический парадокс. Интуитивно кажется, что окружающая среда только мешает квантовой системе сохранять своё состояние. Но в определённых условиях происходит обратное: разрушая квантовую суперпозицию, окружение способно буквально запереть поле там, где оно уже находится.

Возможно, вакуум Вселенной устойчив не вопреки постоянному взаимодействию квантовых полей с окружающим миром, а отчасти благодаря ему. Пока это только теоретическая возможность. Но иногда даже космической системе, как выясняется, легче оставаться на месте, когда Вселенная не оставляет её в покое.