Хоча наш Всесвіт виглядає стабільним, він може бути в тимчасовому стані хибного спокою, який може порушитися в одну мить.

Ми вважаємо вакуум найнижчим енергетичним станом Всесвіту. Але можливо, що існує ще нижчий, більш стабільний стан.

Теоретично, якщо ділянка простору перейде в цей стан, вона може розширитися і поглинути Всесвіт зі швидкістю світла, переписуючи фізику на своєму шляху.

Ласкаво просимо до хибного вакуумного розпаду, одного з найстрашніших концептів у квантовій теорії – команда фізиків з Тунгхуа університету в Китаї знайшла спосіб змоделювати його в лабораторних умовах.

Чому вони вирішили це зробити? Хибний вакуумний розпад призводить до знищення Всесвіту в деяких теоретичних сценаріях.

Більш широко, це питання стоїть на перетині квантової теорії та відносності – що робить його потенційно корисним інструментом для спроби вирішити несумісні відмінності між цими двома рамками.

Ось як це працює. Рівняння відносності дуже добре описують, як фізика працює у Всесвіті – на великих масштабах і на високих швидкостях.

Однак, коли ви переходите в надзвичайно малий світ – квантовий Всесвіт, що існує на атомних і субатомних масштабах – відносність більше не є правильним інструментом для опису поведінки речей.

Наразі найкращим інструментом для цього є квантова теорія поля, яка описує, як квантові поля та частинки взаємодіють.

Коли кожен з них обмежений своїми «смугами», квантова теорія поля та відносність просто працюють, але в екстремальних умовах вони перетинаються, і все стає заплутаним. Немає рамки, яка об'єднує обидва царства, тому фізики намагаються досліджувати ці точки перетворення, щоб знайти таку теорію.

Одне з передбачень квантової теорії поля полягає в тому, що не існує ідеального вакууму. Те, що ми називаємо вакуумом простору, насправді є найнижчим енергетичним станом квантового поля.

Якщо енергетичний ландшафт квантового поля має кілька локальних мінімумів, або низьких точок, ці точки відповідають хибним вакуумам, які можуть перейти в істинний вакуум (ще нижчий енергетичний стан).

Уявіть собі ландшафт, що має кілька озер, деякі з яких глибші за інші. Десь під ними є ще глибше басейн. Якщо внизу одного з цих озер відкриється тунель, він буде зливатися в цей глибший басейн.

Але якщо щось подібне станеться у вакуумі простору, це не залишиться обмеженим. Замість того, щоб вода зливалася, маленька ділянка простору перевернеться в цей нижчий енергетичний стан, утворюючи своєрідний бульбашку.

Ця бульбашка не просто сидітиме там – якщо вона перевищить критичний розмір, вона розшириться з близькою до швидкості світла, перетворюючи все, що вона торкається, в цей новий стан.

Це пояснює, чому це питання стоїть на перетині квантової теорії та відносності. Початкове тунелювання в нижній стан є квантовим процесом – але наслідки розгортаються на найбільших уявних масштабах, розширюючись, щоб змінити весь Всесвіт.

Ні квантова теорія поля, ні відносність самі по собі не можуть повністю описати цей процес. Обидві потрібні для розуміння хибного вакуумного розпаду.

Що стосується лабораторного експерименту, то він не включав у себе проколювання вакууму, щоб перевернути його, не хвилюйтеся. Натомість дослідники використали проксі – кільце атомів Рідберга.

Атом Рідберга – це те, що ви отримуєте, коли додаєте багато енергії в умовах, які дозволяють йому все ще утримувати свої електрони. Він розширюється досить великим для атома, багато мікрон в діаметрі, а електрони є настільки вільно зв'язаними, наскільки це можливо без того, щоб вони вилетіли.

Оскільки вони настільки вільні, атоми Рідберга поводяться в перебільшений спосіб, що робить їх корисними для проведення експериментів.

Дослідники розмістили парну кількість взаємно відштовхуючих атомів Рідберга в кільці. У цьому розташуванні кожен атом потрапляє в спін-орієнтацію, протилежну атомові з обох боків, тому ви отримуєте симетричний, чергуючийся малюнок спін-орієнтацій навколо кільця.

Потім вони збудили атоми лазерами, порушуючи симетрію. Це дозволило кільцю існувати в двох різних малюнках з трохи різними енергетичними станами, один з яких представляв хибний вакуум, а інший – істинний вакуум.

Це трохи хаотичне кільце потім «розпадалося» до переважного основного стану, швидкість якого залежала від сили лазера, що порушує симетрію.

Це узгоджується з найбільш поширеним механізмом, який, як вважається, керує хибним вакуумним розпадом – нуклеація квантової бульбашки, що містить істинний вакуум. Умови, які полегшують формування бульбашки, роблять перехід більш ймовірним.

Експеримент не дає нам нічого нового про хибний вакуумний розпад, але підтверджує теоретичні прогнози про те, як це відбуватиметься.

Це означає, що система атомів Рідберга представляє нову площадку для дослідження диких перетворень, де квантова фізика та відносність стикаються.

Можливо, одного дня вона також розповість нам, наскільки ми повинні бути стурбовані тим, що Всесвіт, як ми його знаємо, раптово перетвориться на щось зовсім інше.

Стаття була опублікована в Physical Review Letters.