Почему всё так грустно? А ты физик-теоретик, что думаешь по этому поводу

Как распад вакуума может уничтожить Вселенную

Каждую минуту существования нас сопровождает один печальный факт: всему когда-нибудь придет конец. И Вселенная не исключение. Согласно современному пониманию физики, есть несколько догадок о том, что может произойти в далеком беспросветном будущем. Вселенная может остыть до такой степени, что в ней попросту ничего не сможет выжить. Однако ни один из этих гипотетических концов всего не так умопомрачителен, как распад вакуума.

Космологический горизонт в представлении художника. В результате распада вакуума Вселенная, какой мы ее знаем, может прекратить свое существование.

При этом жутком сценарии где-то во Вселенной должен появиться пузырек. Законы физики внутри него в корне отличаются от тех, что царят снаружи. Пузырь расширяется со скоростью света, в итоге поглощая всю Вселенную. Галактики разлетаются, атомы не могут удерживать свои компоненты, а взаимодействия частиц меняются на фундаментальном уровне. Какую бы форму Вселенная ни приняла впоследствии, она определенно станет непригодной для жизни человека.

Как такое может быть

Чтобы понять, что такое распад вакуума, сначала следует разобраться, что такое вакуумное состояние. У большинства людей слово «вакуум» ассоциируется с открытым космосом и другими областями, в которых нет материи. Однако открытый космос, на самом деле, не пустой. Напротив, в нем есть флуктуирующие квантовые поля, производящие частицы, которые отвечают за фундаментальные законы физики во Вселенной. Когда это пространство достигает минимального энергетического уровня, говорят, что оно находится в вакуумном состоянии. Тем не менее эти квантовые поля, несмотря ни на что, продолжают работу, удерживая таким образом ткань реальности от разрушения.

Нам известны 17 частиц, которые появляются при возмущении квантовых полей — или, другими словами, когда квантовое поле получает энергию. Одна из таких частиц — фотон, который мы воспринимаем как свет и который отвечает за электромагнитные излучения вроде рентгеновского и микроволнового среди прочих. Также есть кварки, которые собираются в протоны и нейтроны в атомных ядрах. Другие частицы — частицы взаимодействий — вроде сильного и слабого, — которые в итоге диктуют, как работает Вселенная.

На этом графике показаны энергетические состояния гипотетического квантового поля. Нахождение в ложном вакууме очень напоминает мяч, застрявший во впадине на склоне холма - препятствие не дает мячу скатиться в самый низ, в состояние истинного вакуума © Wikimedia CommonsНа этом графике показаны энергетические состояния гипотетического квантового поля.
Нахождение в ложном вакууме очень напоминает мяч, застрявший во впадине
на склоне холма — препятствие не дает мячу скатиться в самый низ,
в состояние истинного вакуума


Когда основополагающие квантовые поля, производящие эти частицы, находятся в своих вакуумных состояниях, Вселенная стабильна. Исходя из определения, вакуумное состояние не может терять энергию, так как, если бы было справедливо обратное, работа фундаментальных частиц также была бы иной, а значит, и Вселенная перестала бы работать так, как она это делает сейчас.

Большинство квантовых полей, судя по всему, находятся в своих квантовых состояниях, а значит, стабильны, а мы — в безопасности. Однако измерить эти вещи крайне сложно. Возможно, одному квантовому полю еще предстоит достичь своего вакуумного состояния: речь идет о поле Хиггса.

Как поле Хиггса связано с распадом вакуума
Поле Хиггса и связанный с ним бозон Хиггса отвечают за наличие у всего во Вселенной массы. Именно поэтому у фотонов массы нет, а у Z-бозонов ее очень мало — по крайней мере, для квантовой частицы. Само по себе это поле важно для взаимодействия фундаментальных частиц друг с другом.

Возможно, поле Хиггса «застряло» на определенном энергетическом уровне. Представьте мяч, который катится с холма, — все другие поля «скатились» к подножию, но поле Хиггса могло застрять в маленькой впадине посреди него, из-за чего не достигло подножия.

Если низшая возможная энергия, доступная полю, называется вакуумным состоянием, то эту впадину можно считать ложным вакуумом: он выглядит стабильным, но в нем на самом деле больше энергии, чем там, где поле Хиггса «хочет» быть. Чтобы понять, из-за чего поле Хиггса могло застрять, нужна немалая помощь математики, но в рамках этой статьи нам важно знать: физики считают, что полю Хиггса еще, возможно, есть где развернуться, прежде чем достичь вакуумного состояния.

Проблема в том, что Вселенная зависит от свойств поля Хиггса в его нынешнем состоянии. Что же может вытолкнуть его из этой впадины? Скорее всего, для этого потребовался бы невероятный объем энергии. Но это также может произойти из-за странного квантового феномена, известного как квантовое туннелирование. Так как квантовые частицы ведут себя волнообразно, есть вероятность, что они могут пройти сквозь препятствие, а не обойти его. Это можно представить как прохождение сквозь впадину, которая удерживает поле Хиггса на его месте.

Последствия распада вакуума
Если бы поле Хиггса вырвалось из ложного вакуума и спустилось до своего настоящего вакуумного состояния, то правящие Вселенной физические законы попросту разрушились бы. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. Именно в этом случае пузырь распада вакуума распространился бы по всей Вселенной на скорости света. При его прохождении через пространство, все — материя, взаимодействия Вселенной — перестало бы работать и существовать в привычном для нас виде.

А что произойдет после этого, невозможно даже вообразить. Законы физики станут совершенно другими и — более чем вероятно — сделают наше существование невозможным. Возможно, атомы больше не смогут удерживаться в общих структурах, химикалии будут вступать в новые, неизвестные реакции, также произойдут многие другие вещи, которые мы не можем представить.

К счастью, эта теория основана на нашем нынешнем понимании Вселенной, которое, мягко говоря, далеко не полное. Мы не знаем наверняка, действительно ли поле Хиггса находится в ложном вакууме, мы знаем лишь, что это вероятно. Более того, чтобы поле Хиггса вышло из ложного вакуума, может понадобиться очень много времени — гораздо больше, чем мы просуществуем как вид. И если это событие действительно произойдет, мы не сможем сделать ничего, чтобы это предотвратить. Как отметил физик-теоретик Шон Кэрролл, если это случится, то мы даже не заметим, так как все произойдет невероятно быстро. Так что, если распад вакуума — один из возможных сценариев конца существования всего, нам просто следует свыкнуться с этой мыслью.