Вакуумный распад уничтожит вселенную

Вакуумный распад: конец света уже наступил?

Это произойдет сегодня ночью. Или завтра днем. Или через миллиард лет. На самом деле это не имеет никакого значения. Волна разрушения захлестнет Землю, как цунами. Она прилетит из глубин космоса со скоростью света. Изменятся все законы физики. Забудьте о химии, которую Вы знали до этого. Сейчас она принципиально невозможна. Забудьте о самой жизни. Ее больше никогда не будет в том виде, к которому мы привыкли. Человечество, наша цивилизация, и любые следы нашего существования будут стерты навсегда. За доли секунды…

Вакуумный распад

Хотя этот сценарий звучит как начало какого-то безумного романа из 50-х годов прошлого века, это вполне реальная перспектива. Так может произойти, если Вселенная подвергнется процессу, известному как вакуумный распад. Именно он может запустить образование непобедимого пузыря смерти. Способного вызвать разрушение всего, что мы когда-либо знали… Страшно?😁

Итак, давайте подробнее разберем, что же означает этот странный термин — вакуумный распад. И что это вообще такое.

Для начала давайте переместимся в далекое прошлое. В первые доли секунды после Большого взрыва. Вселенная все еще крошечная и невероятно, просто безумно горячая. Считается, что в таких условиях фундаментальные силы (электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия и гравитация) были объединены в одно универсальное взаимодействие. В тот момент времени мы могли бы описать столь разнообразные явления, как падение яблока с дерева, и распад ядра урана, с помощью единой системы уравнений. Если бы тогда, конечно, существовали яблоки, деревья и уран😁.

Такое положение вещей может существовать только при самых экстремальных температурах. Именно поэтому Ньютон не изобрел атомную бомбу одновременно с открытием гравитации😂. Но когда Вселенная расширилась, она остыла настолько, что фундаментальные силы начали разделяться. До тех пор, пока, в конце концов, не стали четырьмя отдельным силам, которые мы знаем и очень любим сегодня. И именно в ходе этого процесса в почву физики просыпались прыткие семена будущей вакуумной подлянки.

Квантовые поля

Наши лучшие современные теории описывают Вселенную с помощью так называемых квантовых полей. Поле — это просто то, что имеет какое-то значение в какой-то точке пространства. Знакомый всем пример — магнитное поле, которое окружает стержневой магнит. Оно описывает силу, генерируемую магнитом, в любой точке пространства. Это поле квантовано, то есть может принимать только одно из дискретного набора значений, в отличие от континуума значений, разрешенных в классическом поле. Волны в этих квантовых полях, известные как возбуждения, — это то, что мы наблюдаем как частицы. Такие, как фотоны и электроны.

Для любой фундаментальной силы или частицы существует соответствующее квантовое поле. Например, два электрона, сталкивающиеся и рассеивающие друг друга, можно представить как две волны в квантовом поле электрона, обменивающиеся фотоном. Который сам является волной в электромагнитном квантовом поле. Важно отметить, что существует также энергия, связанная с отсутствием возбуждений в квантовом поле — так называемая энергия нулевой точки, которая обычно, все же, не равна нулю. Знаменитым примером влияния этой нулевой энергии является эффект Казимира, когда две металлические пластины, разделенные чрезвычайно маленьким зазором, притягиваются друг к другу за счет разницы в «давлении» вакуума между пластинами, и «давлении» на их внешних сторонах.

Нулевые точки большинства известных квантовых полей оставались постоянными с тех пор, как впервые разделились вместе с фундаментальными силами в остывающей молодой Вселенной. Эти поля называются стабильными, поскольку их нулевые точки не могут стать другими. Однако есть некоторые признаки того, что для одного из полей это может быть вовсе не так.

Поле Хиггса

Существование поля Хиггса было подтверждено открытием связанной с ним частицы, бозона Хиггса, в 2012 году. Оно связано с массой частиц. Условно говоря, массу можно рассматривать как «заряд» по отношению к полю Хиггса так же, как электрический заряд связан с электромагнитным полем. Хотя энергия нулевой точки большинства полей не равна нулю, ее обычно можно безопасно игнорировать и рассматривать как нулевую в процессе, называемом перенормировкой.

Однако для поля Хиггса это невозможно. Поэтому его нулевая энергия 246 ГэВ/c2 должна быть включена в качестве фундаментальной константы в стандартную модель.

Некоторые считают этот факт признаком того, что поле Хиггса не является стабильным, как другие квантовые поля. А на самом деле оно просто метастабильно. То есть при фазовом переходе, который привел к отделению поля Хиггса, оно застряло со своей псевдонулевой энергией на локальном энергетическом минимуме. А не на истинном глобальном минимуме. Это похоже на то, как мяч, катящийся с холма, зацепляется за выступ, вместо того, чтобы пролететь полностью весь склон. То есть мяч этот условно стабилен. Но имеет запас потенциальной энергии, не равный нулю относительно подножия холма. Таким образом, поле Хиггса демонстрирует ложный вакуум. То есть оно еще не заняло свою истинную точку с нулевой энергией.

Мячик, стой!

Точно так же, как требуется добавление энергии, чтобы сдвинуть мяч с уступа и позволить ему скатиться в долину, например, от удара ногой, может получить толчок энергии и поле Хиггса. Это выведет его из нахождения в состоянии локального минимума энергии и доведет до точки истинной нулевой энергии. Или состояния истинного вакуума. Это и есть вакуумный распад. Энергетический толчок, необходимый для начала этого процесса, мог вполне произойти вблизи горизонта событий крошечных первичных черных дыр. И были даже опасения, что столкновения частиц с чрезвычайно высокими энергиями на Большом Адронном коллайдере могут вызвать этот самый вакуумный распад. При проведении, кстати, работ, по поискам бозона Хиггса (как это иронично).😉

Однако существует и некоторый скептицизм относительно того, что такие процессы действительно могут инициировать распад вакуума. Если первичные черные дыры настолько распространены, как предполагают некоторые теории, то маловероятно, что распад не произошел бы за время, прошедшее с момента их образования. Еще в очень и очень молодой Вселенной. А еще Землю постоянно бомбардируют частицы космических лучей из глубин космоса. Некоторые из которых сталкиваются с частицами в нашей атмосфере с энергиями на порядки больше, чем те, что возможны при столкновениях в коллайдере. И если вакуумный распад при таких условиях был бы возможен, это уже давно бы произошло.

Хотя это крайне маловероятно с точки зрения как времени, так и пространства, но если бы вакуумный распад произошел где-то возле Земли, мы абсолютно ничего не смогли бы с этим поделать. Скорее всего, мы бы просто ничего не почувствовали. Наш мир просто исчез бы в одно мгновение.

Или физика изменилась бы таким образом, что из него, словно по щелчку пальца, просто исчезли бы все живые существа…

Источник

Жуткая наука, vol 3: Ложный вакуум

Что, если бы имелась кнопка, позволяющая «отформатировать» целую Вселенную? Квантовая механика в теории допускает возможность наступления события, которое запустит цепную реакцию перехода пространства и материи космоса в иное энергетическое состояние. Причем данный процесс будет сопровождаться изменением/уничтожением атомных и молекулярных связей на квантовом уровне, что означало бы исчезновение привычной нам Вселенной вместе со всем ее содержимым.

Теория распада ложного вакуума

Из школьного курса физики нам известно, что энергия может быть разных видов, переходящих из одного в другой: тепловая, кинетическая, потенциальная и др. Особняком стоит потенциальный вид энергии. Предметы и структуры могут находиться в стабильном состоянии и никак себя не проявлять сколь угодно долго, пока не произойдет нечто, приводящее к высвобождению потенциальной энергии, заключенной в них. Например, цистерна с бензином будет вести себя очень спокойно ровно до того времени, когда вы решите разжечь под ней костер. Ситуация изменится кардинально: покой исчезнет, а выброс энергии будет стремительным и ужасающим.

Тот же принцип действует и на квантовом уровне. Наша Вселенная буквально пронизана полями различной напряженности, задающими характеристики всему и вся, в том числе пустому на первый взгляд пространству. И здесь квантовой цистерной может выступить т.н. ложный вакуум , обладающий более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с истинным вакуумом. Этот ложный тип вакуума только и ждет щелчка триггера, чтобы начать свой распад , высвободив колоссальную энергию, «зашитую» в саму ткань пространства.

Завет Хокинга

В 2014 году британский физик Стивен Хокинг высказал предостережения в адрес своих коллег по поводу проведения опытов с т.н. бозоном Хиггса на базе Большого адронного коллайдера, так как, по его мнению, в нестабильном состоянии эта частица может инициировать непоправимый эпизод. Ученый полагал, что наша Вселенная целиком наполнена ложным вакуумом, а его условия являются «метастабильными» , поскольку он не начал распадаться лишь потому, что не наступило еще роковое событие, запускающее кошмарный процесс, который будет выражаться в следующем:

Последствия.

Теория описывает распад ложного вакуума как расползающийся в пространстве огненный шар; фронт его продвигается со скоростью света и пожирает всё на своем пути. Но это еще не самое страшное. Есть как минимум две жуткие вещи , связанные с вакуумным распадом:

1) Как уже было сказано, одним из его последствий может быть перестройка базовых свойств пространства-времени. То есть Вселенная подвергнется буквально тотальному «ресету», в ходе которого рекомбинация исходных физических параметров приведет к изменению основ мироздания , где жизнь, вероятно, уже будет невозможна. Кстати, вопрос о «жизнетворных» физических свойствах Вселенной мы рассматривали в нашем предыдущем выпуске .

2) Согласно квантовой теории поля, условия, приводящие к началу распада вакуума, могут возникнуть в любой момент сами по себе из-за эффекта «туннелирования», когда частица, запускающая цепную реакцию распада, может выйти из стабильного состояния в силу случайной флуктуации без какой-либо особой на то причины. Хорошая новость в том, что вероятность такого самопроизвольного «подрыва» представляется ничтожной.

Вакуумный распад и другие миры

Напоследок следует сказать, что с Теорией ложного вакуума связан ряд гипотез о появлении и исчезновении целых миров в рамках Мультиверсума . Так, в ученом мире циркулирует идея, что Большой взрыв , давший начало всему, вероятно, мог быть распадом ложного вакуума, произошедшим в пределах другой вселенной; это событие привело одновременно к ее уничтожению и появлению на ее месте нашей версии пространства и времени с уникальным набором физических констант.

Источник

Распад ложного вакуума — False vacuum decay

• Категория
• Астрономический портал

В квантовой теории поля , А ложный вакуум является гипотетическим вакуумом , который является стабильным, но не в наиболее стабильном состоянии возможного (это метастабильное ). В этом состоянии он может длиться очень долго, но в конечном итоге может перейти в более стабильное состояние, событие, известное как распад ложного вакуума . Наиболее распространенное предположение о том, как такой распад может происходить в нашей Вселенной, называется зарождением пузырей — если небольшая область Вселенной случайно достигнет более стабильного вакуума, этот «пузырь» (также называемый «отскоком») распространился бы.

Ложное вакуум существует на локальный минимум в энергии и, следовательно , не стабильна, в отличие от истинного вакуума, который существует в глобальном минимуме и является стабильной.

СОДЕРЖАНИЕ

Определение истинного и ложного вакуума

Вакуума определяется как пространство с минимальным количеством энергии в нем , как это возможно. Несмотря на название, в вакууме все еще есть квантовые поля . Истинный вакуум стабилен, потому что он находится на глобальном минимуме энергии, и обычно считается, что он совпадает с состоянием физического вакуума, в котором мы живем. Возможно, что состояние физического вакуума представляет собой конфигурацию квантовых полей, представляющих локальный минимум, но не глобальный минимум энергии. Этот тип вакуумного состояния называется «ложным вакуумом».

Стоит отметить, что принятые физические теории не предсказывают свойства вакуума правильно (или предсказывают частично правильно), поэтому эта статья основана на теориях, которые не проверены на правильность относительно вакуума.

Подразумеваемое

Экзистенциальная угроза

Если наша Вселенная находится в состоянии ложного вакуума, а не в состоянии истинного вакуума, то распад менее стабильного ложного вакуума на более стабильный истинный вакуум (так называемый распад ложного вакуума) может иметь драматические последствия. Эффекты могут варьироваться от полного прекращения существующих фундаментальных сил , элементарных частиц и структур, составляющих их, до тонких изменений некоторых космологических параметров, в основном зависящих от разницы потенциалов между истинным и ложным вакуумом. Некоторые сценарии ложного распада вакуума совместимы с выживанием таких структур, как галактики и звезды, или даже с биологической жизнью, в то время как другие предполагают полное разрушение барионной материи или даже немедленный гравитационный коллапс Вселенной, хотя в этом более крайнем случае вероятность образования «пузыря» образование может быть очень низким (т.е. распад ложного вакуума может быть невозможен).

В статье 2005 года, опубликованной в журнале Nature , в рамках исследования рисков глобальных катастроф физик из Массачусетского технологического института Макс Тегмарк и оксфордский философ Ник Бостром подсчитали естественные риски разрушения Земли, составляющие менее 1/10 9 в год от всех природных ( т.е. неантропогенные) события, включая переход в состояние более низкого вакуума. Они утверждают, что из-за эффектов отбора наблюдателя мы можем недооценить шансы быть разрушенными в результате распада вакуума, потому что любая информация об этом событии достигнет нас только в тот момент, когда мы тоже были уничтожены. Это контрастирует с такими событиями, как риски от столкновений, гамма-всплесков , сверхновых и гиперновых , частоты которых у нас есть адекватные прямые измерения.

Инфляция

Ряд теорий предполагает, что космическая инфляция может быть результатом распада ложного вакуума в истинный вакуум. Сама инфляция может быть следствием захвата поля Хиггса в состоянии ложного вакуума с самосвязью Хиггса λ и его функцией β _λ, очень близкой к нулю в планковском масштабе . Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения верхнего кварка, необходимые для таких вычислений.

Теория хаотической инфляции предполагает, что Вселенная может находиться либо в ложном вакууме, либо в истинном вакууме. Алан Гут в своем первоначальном предложении о космической инфляции предположил, что инфляция может прекратиться посредством квантово-механического зарождения пузырьков, описанного выше . См. Историю теории хаотической инфляции . Вскоре стало понятно, что однородная и изотропная Вселенная не может быть сохранена с помощью бурного процесса туннелирования. Это привело к тому, что Андрей Линде и независимо друг от друга Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт предложили «новую инфляцию» или «инфляцию с медленным вращением», при которой туннелирование не происходит, а инфляционное скалярное поле вместо этого отображается как пологий наклон.

В 2014 году исследователи из Китайской академии наук Ухань Институт физики и математики предположил , что Вселенная могла спонтанно создана из ничего (нет пространства , времени , ни материи ) по квантовым флуктуациям метастабильного ложного вакуума вызывает расширяющийся пузырь верно вакуум.

Разновидности вакуумного распада

Электрослабый вакуумный распад

Критерии устойчивости электрослабого взаимодействия были впервые сформулированы в 1979 г. как функция масс теоретического бозона Хиггса и наиболее тяжелого фермиона . Открытие Top-кварка в 1995 году и бозона Хиггса в 2012 году позволило физикам проверить критерии на соответствие эксперименту, поэтому с 2012 года электрослабое взаимодействие считается наиболее многообещающим кандидатом на метастабильную фундаментальную силу . Соответствующая гипотеза ложного вакуума называется либо «нестабильностью электрослабого вакуума», либо «нестабильностью вакуума Хиггса». Настоящее состояние ложного вакуума называется ( пространство Де Ситтера ), а предварительный истинный вакуум называется ( пространство Анти-де Ситтера ). d S <\ displaystyle dS> А d S <\ displaystyle AdS>

Диаграммы показывают диапазоны неопределенности масс бозона Хиггса и топ-кварка в виде линий овальной формы. Цвета, лежащие в основе, показывают, будет ли состояние электрослабого вакуума стабильным, просто долгоживущим или полностью нестабильным для данной комбинации масс. Гипотезу «распада электрослабого вакуума» иногда неверно называли бозоном Хиггса, «завершающим» Вселенную. 125,18 ± 0,16 Г / с 2 Хиггсом масса, вероятно, будет на метастабильном стороне стабильной-метастабильной границы ( по оценкам , в 2012 году , как 123.8-135.0 Г .) Тем не менее, окончательный ответ требует гораздо более точных измерений верхнего кварка полюса массы , хотя улучшенная точность измерения масс бозона Хиггса и топ-кварка еще больше укрепила утверждение о том, что физический электрослабый вакуум находится в метастабильном состоянии по состоянию на 2018 год. Тем не менее, новая физика, выходящая за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, может радикально изменить разделительные линии ландшафта стабильности, что делает предыдущие критерии стабильности и метастабильности некорректными.

Если измерения бозона Хиггса и топ-кварка предполагают, что наша Вселенная находится в ложном вакууме такого рода, это будет означать, что более чем вероятно через многие миллиарды лет эффекты пузыря будут распространяться по Вселенной почти со скоростью света. из своего происхождения в пространстве-времени.

Другие режимы распада

• Распад до меньшего значения Вакуумного ожидания , что приводит к уменьшению эффекта Казимира и дестабилизации протона .
• Распад в вакуум с большей массой нейтрино (возможно, произошел относительно недавно).
• Распад в вакууме без темной энергии .

Зарождение пузырьков

Когда ложный вакуум распадается, истинный вакуум с меньшей энергией образуется в результате процесса, известного как зарождение пузырьков . В этом процессе инстантонные эффекты вызывают появление пузыря, содержащего истинный вакуум. Стенки пузырька (или доменные стенки ) имеют положительное поверхностное натяжение , поскольку энергия расходуется, когда поля проходят через потенциальный барьер в истинный вакуум. Первый стремится как куб радиуса пузыря, а второй пропорционален квадрату его радиуса, поэтому существует критический размер, при котором полная энергия пузыря равна нулю; более мелкие пузыри имеют тенденцию сокращаться, а более крупные — расти. Чтобы образоваться, пузырек должен преодолеть энергетический барьер высотой р c <\ displaystyle R_ >

где — разница в энергии между истинным и ложным вакуумом, — неизвестное (возможно, чрезвычайно большое) поверхностное натяжение доменной стенки, — радиус пузыря. Переписывая уравнение. 1 дает критический радиус как Δ Φ <\ displaystyle \ Delta \ Phi> γ <\ displaystyle \ gamma> р <\ displaystyle R>

Пузырь меньше критического размера может преодолеть потенциальный барьер с помощью квантового туннелирования от инстантон снизить энергетические состояния. Для большого потенциального барьера скорость туннелирования на единицу объема пространства определяется выражением

где — приведенная постоянная Планка . Как только пузырек вакуума с более низкой энергией вырастает за пределы критического радиуса, определяемого формулой 2 , стенка пузыря начнет ускоряться наружу. Из-за типично большой разницы в энергии между ложным и истинным вакуумом скорость стены очень быстро приближается к скорости света. Пузырь не производит никаких гравитационных эффектов, потому что отрицательная плотность энергии внутри пузыря компенсируется положительной кинетической энергией стенки. ℏ <\ displaystyle \ hbar>

Маленькие пузырьки истинного вакуума можно надуть до критических размеров, обеспечивая энергию, хотя требуемые плотности энергии на несколько порядков больше, чем достигаются в любом естественном или искусственном процессе. Также считается, что определенные среды могут катализировать образование пузырьков, снижая потенциальный барьер.

Семена зарождения

В исследовании 2015 года было указано, что скорость распада вакуума может быть значительно увеличена вблизи черных дыр, которые будут служить зародышем зародышеобразования . Согласно этому исследованию, потенциально катастрофический распад вакуума может быть спровоцирован первобытными черными дырами в любое время , если они существуют. Однако авторы отмечают, что если первичные черные дыры вызывают ложный коллапс вакуума, то это должно было произойти задолго до того, как люди эволюционировали на Земле. Последующее исследование, проведенное в 2017 году, показало, что пузырь схлопнется в изначальную черную дыру, а не возникнет из нее, либо в результате обычного коллапса, либо в результате искривления пространства таким образом, что он разорвется в новую вселенную. В 2019 году было обнаружено, что, хотя небольшие невращающиеся черные дыры могут увеличивать истинную скорость зародышеобразования в вакууме, быстро вращающиеся черные дыры стабилизируют ложный вакуум, чтобы скорость распада была ниже, чем ожидалось для плоского пространства-времени. Предлагаемые альтернативные зародыши зародышеобразования включают космические струны и магнитные монополи .

Если столкновения частиц образуют мини-черные дыры, тогда энергетические столкновения, подобные тем, которые производятся на Большом адронном коллайдере (LHC), могут вызвать такое событие распада вакуума, сценарий, который привлек внимание средств массовой информации. Это, вероятно, будет нереально, потому что, если такие мини-черные дыры могут быть созданы при столкновениях, они также будут созданы при гораздо более энергичных столкновениях частиц космического излучения с поверхностями планет или на раннем этапе жизни Вселенной в качестве предварительных первичных черных дыр. . Хат и Рис отмечают, что, поскольку столкновения космических лучей наблюдались при гораздо более высоких энергиях, чем те, которые производятся в ускорителях земных частиц, эти эксперименты не должны, по крайней мере в обозримом будущем, представлять угрозу нашему нынешнему вакууму. Ускорители частиц достигли энергии только приблизительно восемь тера электрон — вольт (8 × 10 12 эВ). Столкновения космических лучей наблюдались при энергиях 5 × 10 19 эВ и выше , что в шесть миллионов раз мощнее — так называемый предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина — а космические лучи вблизи источника могут быть еще более мощными. Джон Лесли утверждал, что, если нынешние тенденции сохранятся, ускорители частиц к 2150 году превысят энергию, выделяемую в естественных столкновениях космических лучей. Опасения такого рода были высказаны критиками как Релятивистского коллайдера тяжелых ионов, так и Большого адронного коллайдера в время их соответствующего предложения и признано необоснованным в результате научного исследования.

Распад ложного вакуума в художественной литературе

Событие ложного распада вакуума иногда используется в качестве сюжета в работах, изображающих событие судного дня .

• 1988 Джеффри А. Лэндис в его научно-фантастическом рассказе » Вакуумные государства».
• 2000 Стивен Бакстер в его научно-фантастическом романе « Время».
• 2002 Грег Иган в его научно-фантастическом романе «Лестница Шильда»
• 2008 Кодзи Судзуки в его научно-фантастическом романе « Край».
• 2015 г. — Аластер Рейнольдс в своем научно-фантастическом романе «Поминки Посейдона»
• 2015 Филип П. Петерсон в его научно-фантастическом романе « Парадокс»

Смотрите также

• Вечная инфляция — гипотетическая модель инфляционной вселенной
• Переохлаждение — снижение температуры жидкости или газа ниже точки замерзания без превращения их в твердое тело.
• Перегрев
• Пустота — огромные пустые пространства между нитями с небольшим количеством галактик или без них.

Заметки

В общем, гравитация снижает вероятность распада вакуума; в крайнем случае очень небольшой разницы в плотности энергии он может даже стабилизировать ложный вакуум, полностью предотвращая распад вакуума. Мы считаем, что понимаем это. Чтобы вакуум распался, необходимо создать пузырь с нулевой полной энергией. В отсутствие гравитации это не проблема, независимо от того, насколько мала разница в плотности энергии; все, что нужно сделать, — это сделать пузырек достаточно большим, и соотношение объема и поверхности сделает свою работу. Однако в присутствии гравитации отрицательная плотность энергии истинного вакуума искажает геометрию внутри пузыря, в результате чего при достаточно малой плотности энергии не бывает пузыря с достаточно большим соотношением объема / поверхности. Внутри пузыря эффекты гравитации более драматичны. Геометрия пространства-времени внутри пузыря — это геометрия пространства анти-де Ситтера, пространства , очень похожего на обычное пространство де Ситтера, за исключением того, что его группа симметрий O (3, 2), а не O (4, 1). Хотя это пространство-время свободно от сингулярностей, оно нестабильно при малых возмущениях и неизбежно подвергается гравитационному коллапсу того же типа, что и конечное состояние сжимающейся вселенной Фридмана . Время, необходимое для коллапса внутренней вселенной, составляет порядка . микросекунд или меньше.

Источник