Існує глибоке занепокоєння, яке лежить в основі фундаментальної фізики існування: Всесвіт може бути не таким стабільним, як нам хотілося б.

Квантова теорія поля описує невидимі квантові поля навколо нас, які створюють субатомні вібрації, що проявляються у вигляді частинок і матерії.

Ці поля прагнуть досягти найнижчого можливого енергетичного стану, як кулька, що осідає на дно чаші – і деякі поля можуть мати нижчий стан, ніж той, в якому вони зараз перебувають.

У новому дослідженні, проведеному командою з Університету Портсмута у Великій Британії, детально описуються деякі заспокійливі відкриття, які свідчать про те, що квантові поля можуть бути ефективно заблоковані на місці, що може допомогти пояснити, чому Всесвіт залишався стабільним.

Ці результати знімають занепокоєння, що через ефект, відомий як квантове тунелювання, поля можуть змінювати стани без попередження. Поле Хіггса, яке надає масу частинкам, включаючи електрони, є одним з полів, які, як вважають, можуть перебувати в "помилковому вакуумі".

"В принципі, перехід до цього глибшого мінімуму може перевести Всесвіт у радикально інший стан, в якому структура матерії та сили, що її регулюють, будуть змінені," – говорить фізик Робсон Крісті з Університету Портсмута.

Дослідники створили математичну модель Всесвіту під час його розширення, відстежуючи поведінку квантових полів під час їх взаємодії. Це була спрощена симуляція нерівних долин, що представляють енергетичні стани.

Ключовим для моделі було налаштування одного поля, оточеного іншими полями – навколишнім середовищем. Це пов'язано з концепцією декогерентності в квантових комп'ютерах, де делікатні квантові системи можуть бути вибиті з ладу через втручання з навколишнього середовища.

"Ідеальна ізоляція є ідеалізацією," – говорить комп'ютерний вчений Грег Капланек з Університету Сиракуз у Нью-Йорку.

"Подумайте, наприклад, про квантові комп'ютери: ми докладаємо величезних зусиль, щоб захистити квантову інформацію, що зберігається в цих машинах, від навколишнього середовища, оскільки навіть слабкі взаємодії з ним можуть швидко змінити квантовий стан."

Дослідники визначили, що навколишні поля також можуть обмежувати можливість квантових ефектів (катастрофічної поведінки тунелювання) у квантових полях.

Команда дослідників називає це "космічним блокуванням", і це означає, що стрибки долин, які турбували фізиків, можуть бути сильно пригнічені – хоча не неможливі.

Аналіз моделі також показав, що маса квантового поля у відношенні до швидкості розширення Всесвіту (шкала Хаббла) впливає на долину, в якій поле спочатку знаходиться.

"Поле, яке важке в порівнянні зі шкалою Хаббла, може швидко адаптуватися до змін, оскільки Всесвіт розширюється, і в цьому випадку ймовірно, що воно рухатиметься до справжнього вакууму, найглибшого енергетичного мінімуму," – говорить Крісті.

"Якщо розширення занадто швидке в порівнянні з динамікою поля, система не може встигнути за змінами. У цьому випадку може залишитися значна ймовірність того, що поле також опиниться в помилковому вакуумі."

Дослідники порівнюють це з іншим відомим феноменом, квантовим ефектом Зено, який в основному стверджує, що система не змінює стан, коли починає вимірюватися або контролюватися – що тут і відбувається з взаємодіями квантових полів.

Можливо, ми можемо трохи заспокоїтися, коли мова йде про долю Всесвіту, хоча дослідники визнають, що потрібні більш складні моделі, щоб далі досліджувати цю ідею та аналізувати фактичні квантові поля, такі як поле Хіггса.

"Якщо механізм такого роду буде актуальним у більш реалістичних космологічних ситуаціях, то він може допомогти стабілізувати поле, яке вже сидить у помилковому вакуумі, але зрозуміти, наскільки далеко це можна застосувати до поля Хіггса, вимагатиме більш реалістичних моделей," – говорить космолог Девід Уендс з Університету Портсмута.

Дослідження було опубліковано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.