Mintis skamba kaip katastrofų filmo scenarijus: kažkur kosmose susiformuoja mažesnės energijos „burbulas“ ir šviesos greičiu ima plėstis, pakeisdamas viską, ką paliečia. Tačiau fizikai kalba ne apie sprogimą, o apie klaidingo vakuumo skilimą. Kinijos Tsinghua universiteto tyrėjai šį procesą sumodeliavo Rydbergo atomų sistemoje – ne tam, kad išgąsdintų, o kad suprastų vieną keisčiausių kvantinės fizikos galimybių.
Kodėl „tuščia erdvė“ gali būti ne tokia tuščia
Kasdienėje kalboje vakuumas reiškia tuštumą. Fizikoje tai daug sudėtingesnė sąvoka. Vakuumas gali būti suprantamas kaip žemiausios energijos būsena, kurioje yra kvantiniai laukai. Tačiau kai kurios teorijos leidžia galimybę, kad mūsų Visata yra ne pačioje žemiausioje, o tik laikinai stabilioje būsenoje.
Tokiu atveju ji būtų vadinama klaidingu vakuumu. Iš išorės jis atrodo stabilus, bet teoriškai gali egzistuoti dar stabilesnė – tikro vakuumo – būsena. Tai primena rutuliuką, įstrigusį mažoje duobutėje šlaite: jis nejuda, viskas atrodo ramu, bet kažkur žemiau yra dar gilesnė vieta.
Jeigu kvantinis procesas leistų mažam erdvės regionui pereiti į tą stabilesnę būseną, susidarytų savotiškas burbulas. Toks burbulas, pagal teorinius modelius, galėtų plėstis labai greitai ir keisti fizikos sąlygas aplink save. Čia ir atsiranda bauginanti mintis: jei mūsų Visata tikrai būtų klaidingame vakuume, toks perėjimas galėtų reikšti visiškai kitokią tikrovę.
Svarbu pabrėžti: tai nėra prognozė, kad rytoj ar po milijono metų Visata išnyks. Tai teorinis scenarijus, kurį fizikai tiria kaip dalį kvantinės lauko teorijos ir kosmologijos.
Kas būtų tas „burbulas“, apie kurį kalba fizikai
Klaidingo vakuumo skilimo idėja remiasi vadinamuoju burbulo susidarymu. Jei kažkur atsiranda tikro vakuumo regionas, jis gali pradėti augti klaidingo vakuumo aplinkoje. Teoriškai tokio burbulo siena judėtų artimu šviesos greičiui greičiu.
Būtent dėl to šis scenarijus toks nepatogus vaizduotei. Jei toks burbulas kada nors susidarytų kosmose ir pasiektų mus, jokio perspėjimo nebūtų. Informacija negali keliauti greičiau už šviesą, todėl burbulo „pamatyti iš anksto“ neįmanoma. Jo atėjimas ir poveikis sutaptų.
Tačiau ši mintis neturėtų būti suprantama kaip artimos grėsmės pranešimas. Mokslininkai šio proceso tiesiogiai Visatoje nestebėjo. Be to, jeigu tokia rizika egzistuotų, pati Visatos ilgaamžiškumo istorija rodo, kad ji bent jau nėra akivaizdžiai dažna ar lengvai įvykstanti.
Tyrimų prasmė kita: suprasti, kaip apskritai tokie perėjimai tarp metastabilių ir stabilesnių būsenų vyksta kvantinėse sistemose. Tai svarbu ne tik kosmologijai, bet ir platesniam kvantinių sistemų supratimui.
Ką Tsinghua universiteto fizikai atkūrė laboratorijoje
Kinijos Tsinghua universiteto komanda nesukūrė jokio „Visatos pabaigos burbulo“. Jie sukūrė laboratorinę analogiją – kontroliuojamą kvantinę sistemą, kurioje galima stebėti panašaus tipo perėjimą iš metastabilios būsenos į stabilesnę.
Tam buvo naudojami Rydbergo atomai. Tai specialiai sužadinti atomai, kurių elektronai yra labai aukštose energijos būsenose ir todėl atomai tarpusavyje sąveikauja stipriau bei lengviau valdomai. Tyrėjai išdėstė atomus žiedu ir lazeriais sukūrė sąlygas, leidžiančias sistemai turėti dvi energijos būsenas – vieną panašią į klaidingą vakuumą, kitą į tikrą vakuumą.
Tokioje sistemoje jie galėjo stebėti, kaip metastabili būsena nyksta ir kaip atsiranda mažesnės energijos „burbulo“ užuomazga. Tyrėjai pranešė, kad klaidingo vakuumo skilimo greitis priklausė nuo simetriją laužančio lauko taip, kaip numato kvantinės lauko teorijos idėjos: skilimo greitis mažėjo eksponentiškai, kai didėjo atitinkamas teorinis barjeras.
Kitaip tariant, eksperimentas suteikė fizikinį modelį procesui, kurį kosmologiniu mastu tiesiogiai patikrinti neįmanoma. Tai nėra Visatos kopija ant stalo, bet tai yra būdas pamatyti, kaip panašios taisyklės gali veikti kvantinėje sistemoje.
Kodėl tai svarbu, nors pasaulio pabaigos nepaskelbė
Tokie eksperimentai įdomūs todėl, kad jie sujungia dvi dideles fizikos sritis. Viena pusė – kvantinė fizika, kurioje mažos sistemos gali tuneliuoti, keisti būsenas ir elgtis neintuityviai. Kita pusė – kosmologija, kurioje kalbama apie visos Visatos energijos būsenas, ankstyvąjį kosmosą ir galimus fazinius perėjimus.
Klaidingo vakuumo skilimas yra viena iš tų temų, kur teorija labai didelė, o tiesioginis eksperimentas atrodo beveik neįmanomas. Todėl mokslininkai kuria analogines sistemas: atomų masyvus, šaltų atomų modelius, kvantinius simuliatorius. Jie neparodo visos Visatos likimo, bet leidžia patikrinti mechanizmus, kurie matematiškai primena teorinius kosmoso procesus.
Tsinghua universiteto darbas paskelbtas „Physical Review Letters“, o jo versija taip pat prieinama „arXiv“ duomenų bazėje. Tyrime pabrėžiama, kad Rydbergo atomų masyvas leidžia tirti klaidingo vakuumo skilimą ir burbulo susidarymą vienmatėje žiedo geometrijoje, su valdoma atomų sąveika.
Tai svarbu ir dėl ateities tyrimų. Jei mokslininkai išmoks vis geriau valdyti tokias sistemas, jie galės nagrinėti sudėtingesnes geometrijas, daugiau matmenų ir tikslesnius modelius. Tai gali padėti geriau suprasti ne tik kosmologines hipotezes, bet ir bendrą metastabilių kvantinių sistemų elgesį.
Ar mums tikrai yra ko bijoti?
Ši tema lengvai virsta dramatiškomis antraštėmis, bet atsargumas būtinas. Eksperimentas neįrodė, kad mūsų Visata tikrai yra klaidingame vakuume. Jis taip pat neparodė, kad toks skilimas neišvengiamas. Mokslininkai atkūrė analogišką procesą mažoje kvantinėje sistemoje, o ne paleido kosminę katastrofą.
Taip pat nėra praktinio būdo tokį scenarijų „sustabdyti“ ar „numatyti“, jei jis būtų realus kosminiu mastu. Tačiau tai nereiškia, kad reikia gyventi baimėje. Fizikoje yra daug teoriškai leidžiamų scenarijų, kurie gali būti neįtikėtinai reti arba priklausyti nuo sąlygų, kurių mūsų Visata neturi.
Tikroji šio tyrimo žinutė ne panika, o kuklus priminimas: net tai, ką vadiname tuščia erdve, fizikoje gali būti sudėtinga, aktyvi ir ne iki galo suprasta būsena.
Todėl sakinys „Visata gali išnykti akimirksniu“ yra teisingas tik kaip teorinės galimybės apibūdinimas, bet ne kaip prognozė. Tsinghua universiteto fizikai parodė, kaip galima laboratorijoje tyrinėti klaidingo vakuumo skilimo mechanizmą. O tai reiškia ne tai, kad pasaulio pabaiga priartėjo, o tai, kad mokslas rado naują būdą pažvelgti į vieną giliausių klausimų: ar mūsų tikrovė yra galutinė būsena, ar tik labai ilgai trunkanti laikina pusiausvyra.
