RW Space

Хотя наша Вселенная кажется стабильной, возможно, она просто находится во временном состоянии ложного спокойствия, которое может разрушиться в мгновение ока.

Мы считаем вакуум самым низким энергетическим состоянием Вселенной. Но возможно, что существует еще более низкоэнергетическое и более стабильное состояние.

Теоретически, если бы часть пространства перешла в это состояние, она могла бы расшириться и поглотить Вселенную со скоростью света, перезаписывая физику по ходу дела.

Добро пожаловать в ложный распад вакуума, одну из самых устрашающих концепций квантовой теории – и команда под руководством физиков из Университета Цинхуа в Китае только что нашла способ смоделировать его в лабораторных условиях.

Зачем им это делать? Что ж, ложный распад вакуума приводит только к разрушению Вселенной, какой мы ее знаем в некоторых теоретических сценариях.

В более широком смысле, он находится на пересечении квантовой теории и теории относительности, что делает его потенциально полезным инструментом для попыток разрешить ранее непримиримые различия между двумя теориями.

Вот как это работает. Уравнения относительности чрезвычайно хорошо описывают, как работает физика во Вселенной – в больших масштабах и на высоких скоростях.

Однако, как только вы попадаете в чрезвычайно малую область – квантовую Вселенную, которая существует на атомных и субатомных масштабах – теория относительности больше не является подходящим инструментом для описания того, как ведут себя вещи.

В настоящее время лучшим инструментом для этой работы является квантовая теория поля, которая описывает, как взаимодействуют квантовые поля и частицы.

Когда ограничено каждым из них, В своих направлениях квантовая теория поля и теория относительности просто идут вперед, делая свое дело, но в экстремальных условиях они перекрываются, и все становится запутанным. Не существует структуры, объединяющей обе области, поэтому физики любят исследовать эти точки пересечения, чтобы посмотреть, смогут ли они найти такую ​​теорию.

Одно из предсказаний квантовой теории поля заключается в том, что идеального вакуума не существует. Вместо этого то, что мы называем космическим вакуумом, является состоянием квантового поля с самой низкой энергией.

Если энергетический ландшафт квантового поля имеет несколько локальных минимумов или низких точек, это соответствует ложному вакууму, который может перейти в настоящий вакуум (состояние с еще более низкой энергией).

Подумайте о ландшафте, в котором есть несколько озер, некоторые из которых глубже других. Где-то под ними находится еще более глубокий бассейн. Если на дне одного из этих озер откроется туннель, он утечет в более глубокий бассейн.

Но если бы что-то подобное произошло в космическом вакууме, оно не осталось бы в сдерживании. Вместо того, чтобы стекать вода, крошечная область пространства перейдет в состояние с более низкой энергией, образуя своего рода пузырь.

Этот пузырь не будет просто сидеть там — если он превысит критический размер, он расширится наружу со скоростью, близкой к скорости света, преобразуя все, к чему прикасается, в это новое состояние.

Вот почему он совмещает квантовую теорию и теорию относительности. Первоначальное туннелирование в более низкое состояние — это квантовый процесс, но его последствия разворачиваются в самых больших масштабах, которые только можно себе представить, расширяясь и изменяя всю Вселенную.

Ни квантовая теория поля, ни теория относительности сами по себе не могут полностью описать этот процесс. И то, и другое необходимо для понимания ложного распада вакуума.

Это возвращает нас к лабораторному эксперименту. На самом деле не нужно было тыкать в вакуумный карман, чтобы вывернуть его наизнанку, не волнуйтесь. Вместо этого исследователи использовали прокси — кольцо ридберговских атомов.

В обычном атоме есть ядро, окруженное крошечным роем электронов. Если вы добавите атому лишь немного энергии, рой электронов немного выдыхается, делая атом чуть-чуть больше и слабее.

Атом Ридберга — это то, что вы получаете, если добавляете много энергии в условиях, которые позволяют ему по-прежнему удерживать свои электроны. Он раздувается довольно сильно для атома, его поперечник составляет несколько микрон, а электроны связаны настолько свободно, насколько это возможно, не улетая.

Поскольку они такие неуклюжие, ридберговские атомы ведут себя преувеличенно, что делает их полезными для проведения экспериментов.

Исследователи расположили четное количество взаимно отталкивающихся ридберговских атомов в кольцо. В таком расположении каждый атом попадает в выравнивание спинов, противоположное атому с обеих сторон, поэтому вы получаете симметричную, чередующуюся картину расположения спинов вокруг кольца.

Затем они возбудили атомы лазерами, нарушив симметрию. Это позволило кольцу существовать в двух разных паттернах со слегка разными энергетическими состояниями, одно из которых представляло собой ложный вакуум, а другое — истинный вакуум.

По теме: Физики смоделировали черную дыру в лаборатории, и она затем начала светиться

Это слегка хаотичное кольцо затем «распадалось» в сторону предпочтительного основного состояния со скоростью, которая зависит от мощности лазера, нарушающего симметрию.

Это согласуется с наиболее общепринятым механизмом, согласно которому Считается, что он приводит к распаду ложного вакуума – зарождению квантового пузыря, содержащего истинный вакуум. Условия, которые облегчают формирование пузыря, делают переход более вероятным.

Эксперимент не говорит нам напрямую ничего нового о ложном распаде вакуума, но подтверждает теоретические предсказания о том, как он будет развиваться.

Это означает, что система ридберговских атомов команды представляет собой новую площадку для исследования дикого пересечения, где сталкиваются квантовая физика и теория относительности.

Возможно, однажды он также скажет нам, насколько нам нужно беспокоиться о Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем. он внезапно превращается во что-то совершенно другое.

Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.