Наш Всесвіт може закінчитися «помилковим вакуумним розпадом»

Край всесвіту

Всесвіт може бути не таким стабільним, як ви думаєте.

У минулому Всесвіт зазнав радикальних фазових переходів. Ці переходи в кінцевому підсумку призвели до поділу чотирьох фундаментальних сил природи та до того набору частинок, який ми знаємо сьогодні. Усе це сталося, коли Всесвіту було менше секунди, і з тих пір він стабільний.

Але це може тривати не вічно.

Розділений космос

Щоб зрозуміти стабільність Всесвіту, спочатку потрібно поговорити про фазові переходи. Фазові переходи – це коли речовина піддається швидкому радикальному перетворенню. Вони відбуваються весь час. Ви кип’ятите воду, і вона з рідини переходить в газ. Ви охолоджуєте ту саму воду, і вона перетворюється на брилу льоду.

Мабуть, найбільш екзотичними є фазові переходи, які відбуваються з квантовими полями. Квантові поля є фундаментальними будівельними блоками Всесвіту. Будь-який тип частинок — скажімо, фотон чи електрон — насправді є лише локальним проявом основного поля. Це поле просочує весь простір і час, як хліб, змочений в оливковій олії. Те, як ці поля взаємодіють один з одним, складає сили і фізику нашого існування.

Це існування засноване на чотирьох фундаментальних силах: гравітації, слабкій силі, електромагнетизмі та сильній силі. Але так було не завжди. У перші моменти існування космосу ці сили були об’єднані. У міру розширення і охолодження Всесвіту квантові поля зазнавали фазових переходів, розділяючись один за іншим.

Останній фазовий перехід відбувся, коли електромагнітна сила відокремилася від слабкої сили. Це розщеплення породило фотон і бозони W і Z, носіїв цих двох сил.

З часу тієї події, яка сталася, коли Всесвіту не було ще й секунди, все стало стабільним — більше немає розщеплення, фазових переходів. Чотири сили природи впродовж мільярдів років формували та ліпили еволюцію космосу.

Так виглядає, що все стабільно — у всякому разі, поки що.

Зрештою, не так і стабільно

Стабільність Всесвіту важко виміряти. Звичайно, минуло понад 13 мільярдів років відтоді, як відбулося щось таке цікаве, як фазовий перехід. Так, 13 мільярдів років – це дійсно великий термін, але у світі квантових полів все може статися.

Наш найкращий варіант у дослідженні стабільності Всесвіту — це маса бозона Хіггса. Хіггс — дуже цікаве поле; її присутність у Всесвіті – це те, що відокремлює електромагнітну силу від слабкої сили і що підтримує цей розкол сьогодні. Без бозона Хіггса ці сили злилися б знову разом.

У квантовій фізиці чим масивніше об’єкт, тим він нестабільніший. Наприклад, масивні частинки швидко розпадаються на більш легкі. Отже, якщо Хіггс дуже масивний, він може бути не таким стабільним, як здається, і колись він може розкластися на щось інше. Але якщо Хіггс досить легкий, він, швидше за все, буде зависати вічно, і більше нема чого говорити про майбутнє квантових полів Всесвіту.

Вимірювання Хіггса показали, що його маса ставить Всесвіт посередині між режимами «справді стабільним» і «трохи нестабільним». Фізики називають цей стан «метастабільним» — ситуація, яка наразі стабільна, але може швидко погіршитися, якщо щось піде не так.

У пошуках стабільності

Уявна метастабільність квантових полів Всесвіту трохи тривожна. Хоча це може означати, що Всесвіт може існувати мільярди, навіть трильйони років без жодних проблем, це також може означати, що Всесвіт вже починає трансформуватися. Все, що знадобиться, — це трохи похитнути в неправильному напрямку, на якійсь випадковій ділянці Всесвіту, де Хіггс розпадається, а основні квантові поля знайдуть нову, більш стабільну конфігурацію. Тоді ця область «нового» Всесвіту буде поширюватися назовні майже зі швидкістю світла через «старий» Всесвіт.

Такий фазовий перехід називається «помилковим розпадом вакууму». Він посилається на ідею про те, що вакуум нашого Всесвіту є «помилковим» — він не такий стабільний, як може здатися, і частинки колись розпадуться на щось нове.

До того моменту, коли ми отримаємо будь-яку інформацію про те, що фазовий перехід нас чекає, він уже відбудеться.

Що буде по інший бік цього нового всесвіту? Це неможливо сказати. Це може бути щось абсолютно буденне, коли нові квантові поля виглядають так само, як старі квантові поля, і нічого поганого. Це може бути просто невелике коригування, як-от невелике налаштування на природу темної енергії або невелике пристосування до маси нейтрино. Або це може бути кардинально інше, із Всесвітом, наповненим абсолютно новими силами, полями та частинками, що унеможливить життя (і хімію та атомику), яким ми його знаємо.

Звичайно, ми навіть не впевнені на 100% щодо критерію метастабільності. Ми знаємо, що Стандартна модель фізики елементарних частинок є неповною. Повна версія могла б переписати наше розуміння квантових полів і те, де проводиться лінія «стабільне-нестабільне».

Автор:

Пол М. Саттер, астрофізик із SUNY Stony Brook та Flatiron Institute у Нью-Йорку

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *