Почему наша Вселенная находится именно в том физическом состоянии, которое мы наблюдаем сегодня? На первый взгляд вопрос кажется почти философским, однако в квантовой теории поля он имеет вполне конкретный смысл. Поле может существовать в нескольких энергетических состояниях, причем состояние, в котором оно оказалось, не обязательно является самым глубоким и устойчивым. Новая теоретическая работа предлагает механизм, способный надолго «запирать» такие поля в уже выбранной конфигурации.
Речь идет о ложном вакууме. В физике вакуум — это не просто пустое пространство, а состояние квантовых полей с определенной энергией. Представить ложный вакуум можно как шарик, оказавшийся в небольшой впадине на горном склоне: он устойчив к слабым возмущениям, хотя где-то за барьером существует гораздо более глубокая долина с меньшей энергией.
Классический объект не способен самостоятельно преодолеть барьер, если ему не хватает энергии. Квантовая система ведет себя иначе: существует вероятность туннелирования, при котором она оказывается по другую сторону энергетического барьера без классического подъема через его вершину. Для квантового поля такой переход означает распад ложного вакуума и образование области нового состояния.
Особый интерес эта проблема вызывает из-за поля Хиггса. Расчеты в рамках Стандартной модели допускают, что наблюдаемое состояние поля Хиггса может быть метастабильным, то есть чрезвычайно долговечным, но не абсолютно устойчивым. Это не означает, что распад вакуума ожидается или представляет практическую угрозу: оценки сильно зависят от параметров модели и новой физики при высоких энергиях. Тем не менее вопрос о том, что способно подавлять подобные переходы, фундаментально важен.
Авторы новой работы исследовали, что происходит, если квантовое поле рассматривать не изолированно, а как открытую квантовую систему, взаимодействующую с окружением. Такой подход хорошо знаком специалистам по квантовым компьютерам. Кубит способен существовать в суперпозиции нескольких состояний, однако взаимодействие с окружающей средой постепенно разрушает строго определенные фазовые отношения между ними. Этот процесс называется декогеренцией.
Декогеренцию часто описывают как превращение квантового поведения в более привычное классическое. Окружение получает информацию о состоянии системы, и возможность наблюдать интерференцию между альтернативными квантовыми вариантами уменьшается. Исследователи применили математический аппарат открытых квантовых систем к полям в быстро расширяющейся ранней Вселенной и обнаружили необычное следствие: декогеренция способна не только разрушать интерференцию, но и подавлять переход между энергетическими состояниями.
Эффект родствен квантовому эффекту Зенона. Его часто объясняют парадоксальной фразой: достаточно частое «наблюдение» способно мешать квантовой системе изменяться. Здесь под наблюдением не обязательно подразумевается человек или измерительный прибор. Любое взаимодействие, при котором окружение получает информацию о состоянии системы, может выполнять похожую физическую роль.
В рассматриваемой модели взаимодействие квантового поля с окружающими степенями свободы постоянно оставляет информацию о его состоянии в среде. Если этот процесс происходит достаточно эффективно, когерентное туннелирование подавляется. Поле словно многократно «фиксируется» в уже занимаемом состоянии, поэтому вероятность перехода через энергетический барьер становится значительно меньше, чем в полностью изолированной системе.
Авторы называют этот механизм космической блокировкой. Согласно расчетам, процесс имеет два характерных этапа. Сначала во время быстрого расширения ранней Вселенной динамика самого поля определяет, какое состояние оказывается предпочтительным. Более тяжелые поля в рассматриваемом режиме чаще стремятся к низкоэнергетическому состоянию, тогда как легкие могут распределяться между возможными вариантами более равномерно.
Затем усиливается роль декогеренции. Окружение постепенно уничтожает возможность интерференции между альтернативами и тем самым закрепляет уже сложившийся результат. В образном смысле ранняя Вселенная сначала выбирает одну из доступных энергетических долин, а затем взаимодействие с окружением затрудняет квантовый переход из нее в другую.
Это интересная связь между двумя областями физики, которые на первый взгляд очень далеки друг от друга. В квантовом компьютере декогеренция считается одним из главных врагов: она разрушает хрупкие квантовые состояния, необходимые для вычислений. В космологической модели тот же фундаментальный механизм, напротив, способен выступать стабилизатором, подавляющим нежелательное туннелирование.
Но работа не доказывает, что именно этот процесс удерживает современное поле Хиггса или гарантирует вечную стабильность нашей Вселенной. Это теоретическая модель определенного режима ранней космологической эволюции. Для реалистичного расчета необходимо учитывать изменение скорости расширения Вселенной, обратное влияние квантового поля на геометрию пространства-времени и другие взаимодействия.
Поэтому выражение «декогеренция спасает Вселенную» следует понимать как описание физического механизма, а не прогноз судьбы космоса. Главный результат состоит в другом: вероятность квантового перехода определяется не только формой энергетического барьера, но и тем, насколько сильно поле взаимодействует со своим окружением. Даже фундаментальная стабильность вакуума может оказаться свойством не изолированного поля, а целой квантовой системы вместе с ее средой.
- Понравилось: 21
А затем «Добавить на главный экран». 