Международная команда физиков экспериментально смоделировала распад ложного вакуума — квантовый переход, который в космологии рассматривают как один из гипотетических сценариев гибели Вселенной. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Важно понимать: речь не о том, что ученые создали в лаборатории настоящий "конец Вселенной" в миниатюре, а о том, что они построили квантовую модель, в которой можно наблюдать похожий механизм — переход системы из метастабильного состояния в более устойчивое.
В физике вакуум — это не просто пустота. В квантовой теории поля вакуумом называют состояние с минимальной энергией для данной системы. Но иногда система может находиться не в самом устойчивом минимуме, а в локально стабильном состоянии. Такое состояние называют ложным вакуумом, и оно может существовать очень долго, но теоретически возможен переход в более стабильное — истинный вакуум.
Именно такой переход и называют распадом ложного вакуума. Согласно космологическим моделям, если наша Вселенная находится в метастабильном состоянии, где-то в пространстве может возникнуть "пузырь" истинного вакуума. Он стал бы расширяться почти со скоростью света, меняя фундаментальные свойства физической реальности — от поведения частиц до структуры пространства-времени. По сути, это было бы "форматированием" Вселенной — привычная реальность, включая нас с вами, просто перестала бы существовать.
Для проверки подобной динамики в лабораторных условиях физики использовали массив атомов Ридберга. Это сильно возбужденные атомы, у которых один электрон находится на очень далекой орбите от ядра. Из-за этого такие атомы демонстрируют необычные квантовые свойства и сильно взаимодействуют друг с другом, что делает их удобным инструментом для моделирования сложных квантовых процессов.
В рамках эксперимента атомы разместили в кольцевой структуре. С помощью лазеров в системе были созданы два конкурирующих состояния, аналогичных ложному и истинному вакууму. Затем исследователи наблюдали, может ли внутри метастабильного состояния возникнуть область нового состояния — тот самый "пузырь", который затем начинает расширяться.
Именно это и удалось зафиксировать. В системе возникал небольшой участок, соответствующий более устойчивому состоянию, после чего он начал распространяться по всему атомному кольцу.
Особенно важно, что исследователи не просто увидели переход, а проверили его количественно. Они показали, что скорость распада ложного вакуума зависит от настраиваемого параметра лазерной системы: чем слабее был энергетический перекос между двумя состояниями, тем медленнее происходил распад. Эта зависимость оказалась экспоненциальной, как и предсказывает квантовая теория поля. При этом даже небольшие отклонения от идеального метастабильного состояния заметно меняли поведение системы.
Проще говоря, эксперимент подтвердил, что в управляемой квантовой системе можно воспроизвести не только саму идею перехода из ложного вакуума в истинный, но и наблюдать детали того, как такой переход начинается, развивается и насколько зависит от начальных условий. Это очень важный шаг к тому, чтобы изучать фундаментальные идеи квантовой теории поля не только на бумаге, но и в контролируемых экспериментах.
И, конечно, эксперимент важен для космологии, ведь он впервые позволил проверить в лаборатории ключевой механизм одного из гипотетических сценариев конца нашей Вселенной.
Несмотря на это, концепция распада ложного вакуума как неизбежной судьбы нашей Вселенной остается гипотезой. Мы не знаем, находится ли наша Вселенная в состоянии истинного вакуума или в метастабильном состоянии. Даже если второй вариант окажется верным, это вовсе не означает, что распад начнется в обозримом будущем или что он вообще когда-либо произойдет.