Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое.
Впервые получены доказательства распада ложного вакуума
| Распад ложного вакуума | Naked Science разъяснил новости о конце света из-за распада ложного вакуума. |
| Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой" | Тем не менее, в дальнейшем распад ложного вакуума может уничтожить Вселенную. |
Nature Physics: ученые получили доказательства распада ложного вакуума
А вы заметили, что vacuum catastrophe куда лучше подходит для квантового самоубийства, чем ружье? Процесс мгновенен, не может оставить вас калекой… Он просто идеален. И поэтому… Что если он происходит регулярно, но мы его не замечаем? Именно такую вселенную мне хочется рассмотреть. Давайте введем величину D doom factor , которая пропорциональная вероятности спонтанного распада вакуума. Астрономы сейчас поежились от использования светового года в качестве меры расстояния, вместо парсека, но в данном случае очень хочется измерять время и расстояние в «одинаковых» единицах. Обреченная Вселенная Итак, какова вероятность того, что мы останемся живы в такой Вселенной? Нужно оценить количество потециальных катастроф в прошлом, то есть в нашем past light cone.
То есть вероятность того, что мы не погибли равна. Нас не должно это удивлять, в MWI ветви разделяются еще сильнее даже в рамках минут и секунд. Тем не менее интересно проследить, а когда в среднем было последнее событие такого рода? Это можно сделать по формуле: Значение, которое мы получаем довольно странное для выбранного нами наобум D — около 100 миллионов лет. Впрочем, на самом деле это не удивительно, так как 4-объем конуса растет очень быстро к основанию.
Результаты эксперимента соответствовали численным моделям и подтверждали квантово-механическую природу распада ложного вакуума. Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости представляют идеальную платформу для изучения неравновесного квантового поля. Бозе-конденсат, в котором наблюдались эти явления, возникает при охлаждении бозонов, таких как атомы, почти до абсолютного нуля.
Это состояние материи позволяет частицам находиться в одном квантовом состоянии и создает квантовые эффекты, включая сверхтекучесть - способность жидкости протекать без трения через узкие преграды.
Международная группа ученых опубликовала свои новейшие и важные открытия, которые подтверждают распад ложного вакуума Источник фото: Фото редакции Ложный вакуум - это состояние с низкой энергией, которое считается стабильным, но может преобразоваться в состояние с минимальной энергией, известное как истинный вакуум. Однако такой переход затруднен из-за высокого барьера энергии.
В результате проведенных экспериментов ученые обнаружили образование маленьких пузырьков истинного вакуума в переохлажденном газе из изотопов натрия-23.
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. Если в любой точке космоса произойдет что-то подобное, будет запущен целый каскад апокалиптических событий, которому ничто во Вселенной не сможет противостоять. Все начнется с возникновения пузыря.
На месте события-триггера образуется крошечный пузырь истинного вакуума. Он будет заключать в себе совершенно иной вид пространства, в котором физические процессы подчиняются другим законам, а частицы обладают иными свойствами. В момент формирования этот пузырь представляет собой бесконечно малое пятнышко.
Однако он окружен чрезвычайно высокоэнергетической стенкой, способной сжечь все, с чем соприкоснется. Затем пузырь начнет расширяться. Поскольку истинный вакуум является более стабильным состоянием, Вселенная его «предпочитает» и переходит в него при первой же возможности, подобно тому, как камешек скатывается по склону, оказавшись на его вершине.
Как только возникнет этот пузырь, поле Хиггса вокруг него внезапно опустится в истинный минимум. Исходное событие как бы выводит из шаткого равновесия все камешки, расположенные в непосредственной близости, что вызывает сход лавины. Все большая часть пространства начнет переходить в состояние истинного вакуума.
Все, чему не повезет оказаться на пути расширения пузыря, сначала столкнется с его высокоэнергетической стенкой, движущейся почти со скоростью света, а затем подвергнется процессу, который можно назвать «тотальной диссоциацией», поскольку силы, которые ранее удерживали частицы вместе в атомах и ядрах, перестанут функционировать. То, что вы не увидите приближения этой стенки, вероятно, к лучшему.
Новости дня
- Смерть Вселенной из-за распада вакуума показали на видео - Янтарный край
- Исследование открывает новые возможности в понимании ранней Вселенной.
- Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой"
- Физики увидели распад ложного вакуума. Пока только в ферромагнитных сверхтекучих жидкостях
Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой"
NP: процесс распада ложного вакуума впервые наблюдали в бозе-конденсатеИзображение: Nature Physics (2024) / дународная группа ученых получила первые экспериментальные доказательства распада ложного вакуума. Результаты исследования. В этом видео поговорим о космической пустоте, о распаде ложного вакуума, о том насколько такое событие вероятно, и как это может произойти. Событие ложного распада вакуума иногда используется в качестве сюжета в работах, изображающих событие судного дня.
Физики показали гибель Вселенной вследствие распада вакуума - ГТРК Удмуртия
В этом случае материя всей Вселенной начнет разрушаться. Впрочем, поддаваться панике, утверждают ученые, не стоит — дело в том, что этот процесс займет настолько много времени, что никак не может нести угрозу человеческой цивилизации. Подписывайтесь на электронную газету «Век» в: Реклама на веке.
Она протуннелировала несмотря на то, что ее энергии недостаточно для спокойного перемещения поверх потенциального барьера, разделяющего два минимума. Частица в потенциале с двумя разными минимумами.
В классической механике частица может вечно покоиться в менее глубоком минимуме слева ; в квантовой механике через какое-то время произойдет туннелирование частицы в более глубокий минимум справа Оказывается, нечто аналогичное может происходить и с вакуумом. В квантовой теории поля вакуум — это состояние поля с наинизшей относительно умеренно больших отклонений энергией. Для обычных частиц или полей вакуумное состояние — это просто отсутствие каких-либо частиц. Хиггсовское поле особенное, у него энергетически наивыгодное состояние может быть вовсе не пустое.
Вселенная в результате этого оказывается заполнена однородным хиггсовским полем. Подробнее см. Простейший вариант такой ситуации — это «хиггсовское» поле h r с такой плотностью потенциальной энергии его еще называют «потенциал» : Здесь r — это трехмерная пространственная координата, v — некоторая величина размерности энергии для настоящего хиггсовского поля она примерно равна 246 ГэВ. Минимальной энергия будет тогда, когда во всём пространстве поле h r будет равно константе: v или —v.
Любое изменяющееся в пространстве поле обязательно приведет в целом к большей энергии. Высота потенциального барьера, разделяющего два минимума, равна Рис. В некоторых хиггсовских механизмах может возникнуть ситуация с двумя неравноправными вакуумами. Но оказывается, в неминимальных вариантах хиггсовского механизма возможна ситуация, напоминающая рис.
В них потенциал чуть-чуть перекошен «в пользу» одного из минимумов рис. Теперь самый важный момент. Два «вакуума» теперь разные. Тот, который поглубже, — истинный вакуум — отвечает минимальной плотности энергии, и он вечен.
Тот, который повыше, — ложный вакуум — не совсем стабилен. До поры до времени он может выглядеть как нормальный вакуум, и в нём тоже могут летать частицы, происходить взаимодействия и образовываться звезды и планеты. Но всегда существует вероятность, что этот вакуум «сломается», что он протуннелирует в более стабильный истинный вакуум.
Согласно квантовой теории поля это стабильное состояние с определенным уровнем энергии. Что касается так называемого "истинного" вакуума, то он обладает наименьшей из всех возможных энергий. По мнению Хокинга, в ходе экспериментов с бозоном Хиггса он может быть переведен в такое нестабильное состояние, которое станет своеобразным тоннелем между ложным и истинным вакуумом.
В результате вся Вселенная перейдет в иное физическое состояние. Причем такой переход будет мгновенным. Однако вызвать нестабильность бозона Хиггса, по мнению Хокинга, сегодня практически невозможно. Для того при имеющемся научном оборудовании необходим ускоритель, по размерам сопоставимый с Землей. Ложный и истинный. Это следует из знаменитой Стандартной модели, которая описывает мир элементарных частиц.
Кстати, она считается одним из самых выдающихся достижений науки XX века. Чем отличаются эти два вакуума? Только одним - своей энергией.
В первом случае есть минимальное электрическое поле, которое не может разрушить Вселенную.
А при развитии второго варианта будет происходить переход в глубокий, а может даже, истинный вакуум. В презентованном учеными ролике спроектирована модель второго сценария развития ситуации.
Распад ложного вакуума
В случае ложного вакуума вероятность того, что большая область пространства туннелирует в состояние истинного вакуума, совершенно ничтожна. Событие ложного распада вакуума иногда используется в качестве сюжета в работах, изображающих событие судного дня. Фото из открытых источников Англо-итальянская команда учёных достигла значительного прогресса в изучении явления распада ложного вакуума.
Ученые рассказали о смерти Вселенной из-за распада вакуума
Открытие исследователей: проблема ложного вакуума доказана на практике Международная группа ученых достигла прорыва в изучении распада ложного вакуума, что было подтверждено экспериментально. Речь идет о потенциальном процессе, известном как распад ложного вакуума. 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 Британские физики впервые смогли воспроизвести процесс распада «ложного вакуума» при помощи квантового симулятора. Самым невероятным концом света стало бы уничтожение мира в результате распада ложного вакуума.
Конец Вселенной: ученые показали, к чему приведет распад вакуума
Речь идет о потенциальном процессе, известном как распад ложного вакуума. Учёные напоминают, что для всех объектов во Вселенной характерно стремление к стабильному состоянию, при котором энергия этого объекта будет минимальной. Распространяется это даже на квантовые поля, определяющие «правила», по которым взаимодействуют различные частицы. Квантовые поля стремятся к так называемому вакуумному состоянию, подразумевающему нулевую энергию учёные отмечают, что это название не имеет прямого отношения к космическому вакууму.
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. Из-за этого фона скорость образования пузырьков почти не меняется даже около небольших черных дыр.
Результаты наблюдений согласуются с численными моделями и подтверждают квантово-механическую природу распада, демонстрируя, что атомные сверхтекучие жидкости являются идеальным инструментом для исследования явлений неравновесного квантового поля. 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.
Международная группа ученых опубликовала свои новейшие и важные открытия, которые подтверждают распад ложного вакуума Источник фото: Фото редакции Ложный вакуум - это состояние с низкой энергией, которое считается стабильным, но может преобразоваться в состояние с минимальной энергией, известное как истинный вакуум. Однако такой переход затруднен из-за высокого барьера энергии. В результате проведенных экспериментов ученые обнаружили образование маленьких пузырьков истинного вакуума в переохлажденном газе из изотопов натрия-23.
Как распад вакуума может уничтожить Вселенную
Ложный и истинный вакуум в эксперименте представляли собой локальный и глобальный минимумы энергии ферромагнитного атомного конденсата Бозе-Эйнштейна. Результаты наблюдений согласовывались с численными моделями, которые подтверждают квантово-механическую природу распада, что делает атомные сверхтекучие жидкости идеальной платформой для исследования явлений неравновесного квантового поля. Бозе-конденсат — это состояние материи, которое возникает, когда частицы или атомы, относящиеся к бозонам, охлаждают почти до абсолютного нуля, в данном случае до нескольких десятков нанокельвинов. Бозоны способны находиться в одном и том же основном квантовом состоянии грубо говоря, их принципиально нельзя отличить одну от другой и ведут себя подобно одной «размытой» частице, что создает квантовые эффекты, видимые невооруженным глазом.
В результате в ложном вакууме создаются небольшие пузырьки истинного вакуума. Физики впервые наблюдали, как эти пузырьки образуются в квантовой системе, представляющей собой переохлажденный газ, состоящий из изотопов натрия-23 и обладающим свойством сверхтекучей жидкости, при температуре менее одного микрокельвина. Ложный и истинный вакуум в эксперименте представляли собой локальный и глобальный минимумы энергии ферромагнитного атомного конденсата Бозе-Эйнштейна.
Результаты наблюдений согласовывались с численными моделями, которые подтверждают квантово-механическую природу распада, что делает атомные сверхтекучие жидкости идеальной платформой для исследования явлений неравновесного квантового поля.
Распад ложного вакуума Ученые предполагают, что наблюдаемый нами мир находится в состоянии истинного или ложного вакуума. Во втором случае велики шансы перехода в истинный вакуум, при котором произойдет разрушение всей материи во Вселенной. Именно этот процесс представлен в видеоролике.
Они пытаются, в меру сил и возможностей, описать научную работу , опубликованную в журнале Nature Physics впрочем, даже полное название журнала корректно смогли указать не все.
Проблема в том, что она отнюдь не описывает ложный вакуум в квантовомеханическом смысле этого слова: авторы разбирают симуляционную модель перехода из состояния с одной минимальной энергией в состояние с чуть более низкой минимально возможной энергией. Однако реальная новость вновь заслоняется выдуманной: часто пишут, будто «Вояджер-2» и «Водяжер-1» покинули Солнечную систе… naked-science. Опыт проходил в среде с температурами в районе долей градуса выше абсолютного нуля. Однако он не касался вакуума в физическом смысле этого слова, в том числе потому, что происходил в среде, насыщенной атомами. Интересно, что сами ученые, написавшие эту работу для Nature Physics, достаточно однозначно пояснили, что речь идет именно о симуляции квантовых процессов, а не о них самих.
Том Биллам Tom Billam прокомментировал ее так: «Использование возможностей экспериментов с ультрахолодными атомами для симулирования квантовых физических процессов в других системах — в данном случае ранней Вселенной — крайне интересная область исследования в настоящий момент». Фейк: вторая Суперлуна в августе запустит разрушительные землетрясения на планете Российские СМИ массово пишут — причем ссылаясь на ученых, — что второе суперлуние этого августа в ночь на 31-е число вызовет серию разрушительных землетрясений. Однако с научной точки зрения реал… naked-science.
Физики из Кембриджского университета впервые смоделировали распад ложного вакуума
| Позитроны укажут на распад вакуума при столкновении тяжёлых ионов | Аннотация: На примере распада метастабильного состояния скалярного поля (конформный вакуум скалярных частиц над ложным классическим вакуумом). |
| Ученые показали на видео процесс разрушения Вселенной из-за распада вакуума | Ученые заявили, что из-за распада ложного вакуума Вселенная может быть разрушена. |
Как Вселенная разрушится от распада вакуума?
СМИ заполонили тревожные сообщения: мол, физики устроили распад ложного вакуума — явление, способное уничтожить Вселенную. Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. Распад ложного вакуума — это физическое явление, способное уничтожить каждый атом во Вселенной. Гибель Вселенной может наступить из-за распада так называемого ложного вакуума, гласит одна из научных теорий.
Опубликовано видео, показывающее уничтожение Вселенной из-за распада вакуума
Nature Physics: ученые получили доказательства распада ложного вакуума 3 0 Фото из открытых источников Англо-итальянская команда учёных достигла значительного прогресса в изучении явления распада ложного вакуума. Экспериментальные доказательства этого процесса были получены в изолированных и когерентно связанных атомных сверхтекучих средах, и результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics. Ложный вакуум - это состояние, в котором система оказывается временно устроенной в высокоэнергетическом состоянии, но может перейти в более стабильное состояние с меньшей энергией.
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. Если в любой точке космоса произойдет что-то подобное, будет запущен целый каскад апокалиптических событий, которому ничто во Вселенной не сможет противостоять.
Все начнется с возникновения пузыря. На месте события-триггера образуется крошечный пузырь истинного вакуума. Он будет заключать в себе совершенно иной вид пространства, в котором физические процессы подчиняются другим законам, а частицы обладают иными свойствами. В момент формирования этот пузырь представляет собой бесконечно малое пятнышко. Однако он окружен чрезвычайно высокоэнергетической стенкой, способной сжечь все, с чем соприкоснется. Затем пузырь начнет расширяться.
Поскольку истинный вакуум является более стабильным состоянием, Вселенная его «предпочитает» и переходит в него при первой же возможности, подобно тому, как камешек скатывается по склону, оказавшись на его вершине. Как только возникнет этот пузырь, поле Хиггса вокруг него внезапно опустится в истинный минимум. Исходное событие как бы выводит из шаткого равновесия все камешки, расположенные в непосредственной близости, что вызывает сход лавины. Все большая часть пространства начнет переходить в состояние истинного вакуума. Все, чему не повезет оказаться на пути расширения пузыря, сначала столкнется с его высокоэнергетической стенкой, движущейся почти со скоростью света, а затем подвергнется процессу, который можно назвать «тотальной диссоциацией», поскольку силы, которые ранее удерживали частицы вместе в атомах и ядрах, перестанут функционировать. То, что вы не увидите приближения этой стенки, вероятно, к лучшему.
Каким бы драматичным ни выглядело вышеприведенное описание, если вы окажетесь на пути расширения пузыря, вы этого не заметите. То, что движется на вас со скоростью света, для вас невидимо, — любой намек, предупреждающий о приближении пузыря, достигнет вас одновременно с ним. Вы никак не сможете узнать о том, что на вас что-то надвигается, или просто заметить малейший признак опасности.
Этот переход происходит через туннелирование через энергетический барьер и широко известен в различных областях физики, включая квантовую теорию поля и космологию. Исследование показало, что атомные сверхтекучие жидкости предоставляют идеальную платформу для экспериментального подтверждения этого явления. Ученые наблюдали зарождение пузырьков в этих сверхтекучих средах, а численное моделирование подтвердило их наблюдения.
Подробности приводит пресс-служба Кембриджского университета. Вокруг этого вопроса проводилось множество опытов, которые должны помочь космологам проверить множество теорий, связанных с формированием Вселенной. В частности, данная работа позволит в дальнейшем изучать роль квантовых флуктуаций. Исследователи смогли определить, каким образом формировались фазовые переходы в ранней Вселенной, среди которых процесс распада «ложного вакуума».