Ничто не вечно, в том числе и Вселенная. Согласно расчетам, она может просуществовать невероятно долго. Однако альтернативная точка зрения предполагает, что наш универсум способен исчезнуть в любой момент. Китайские ученые воспроизвели его гибель в лаборатории. Стоит ли бояться конца света — в материале РИА Новости.

Внезапная смерть

Принято считать, что у нашей Вселенной впереди триллионы лет. Она будет постепенно расширяться, звезды начнут гаснуть, и в конце концов все мироздание, каким мы его знаем, погрузится в холодную, темную и бесконечную "тепловую смерть". Но, по одной из гипотез, все может исчезнуть в одно мгновение, а мы при этом не заметим никаких признаков надвигающейся катастрофы.

Согласно современным представлениям, даже межгалактическое пространство в самом глубоком космосе — не совсем пустое. Это низкое энергетическое состояние материи, пронизанной различными полями: электромагнитным, полем Хиггса и другими. "Штиль" в этих полях мы и называем вакуумом. Энергии там ровно столько, сколько необходимо самому пространству, чтобы просто существовать. Однако есть предположение, что это еще не минимально возможный уровень энергии.

Квантовая теория поля предполагает, что такой вакуум может быть "ложным" и "истинным". Для объяснения разницы подойдет такая метафора. Представьте себе высокую гору, у подножия которой лежит мяч. Он находится в самом низком и стабильном состоянии — катиться больше некуда. Это истинный вакуум.

На склоне горы есть небольшая ложбинка. Мяч, оказавшийся там, тоже как будто в стабильном состоянии. Но это временно: в любой момент он может очень быстро скатиться еще ниже — к подножию. "Мяч в ложбинке на склоне горы" — это ложный вакуум.

В 1970-х американский теоретик Сидни Коулман предположил, что вся наблюдаемая Вселенная может существовать в таком ложном вакууме. Если это так, то его распад приведет к мгновенному коллапсу в истинный вакуум из-за квантовых эффектов, таких как квантовое туннелирование.

"Мы ничего не почувствуем"

Процесс выглядит так. В какой-то точке пространства возникает "пузырь" истинного вакуума. Он начинает расширяться во все стороны со скоростью света. А поскольку никакая информация не может быть быстрее фотонов, мы не узнаем о происходящем до самого конца.

Все, что попадает в границы пузыря, мгновенно меняет физические свойства или уничтожается. Энергия вакуума определяет, как работают физические поля. Если вакуум "переключится", изменятся фундаментальные константы, например электромагнитное взаимодействие. Либо, скажем, частицы — электроны, кварки — внезапно станут намного тяжелее или легче.

Из-за смены физических законов атомы и молекулы, из которых состоим и мы, и звезды, просто потеряют стабильность. Старая материя распадется, а в истинном вакууме возникнут совершенно новые химия и физика. Есть теория, что Вселенная в первые мгновения существования уже переживала нечто подобное, что и привело к Большому взрыву.

Группа физиков из Пекина нашла способ смоделировать этот апокалиптический сценарий в лаборатории. Статья Ю-Синь Чао из Университета Цинхуа и его коллег опубликована в журнале Physical Review Letters.

Настольный конец света

Вместо космических полей китайские исследователи использовали крошечные кольца из особых атомов — ридберговских, огромных (электрон в них вращается далеко от ядра) и очень чувствительных к внешним воздействиям. Ученые расположили несколько таких атомов по кругу. В обычном состоянии их спины (микроскопические магниты) выстраивались в аккуратный узор "вверх-вниз-вверх-вниз". Из-за симметрии кольца такая картинка была стабильной. Чтобы создать "ложный вакуум", физики точечно подсветили некоторые атомы лазером, тем самым нарушив симметрию. Теперь у системы появилось два похожих, но разных по энергии состояния: одно чуть повыше (ложное), другое чуть пониже (истинное).

Искусственно создав ситуацию, где часть атомов находились в более высоком энергетическом состоянии ("ложный вакуум"), исследователи начали наблюдение. Ключевой результат заключался в том, что чем сильнее ученые "подталкивали" систему, нарушая ее симметрию лазером, тем быстрее происходил распад. Причем его скорость росла экспоненциально — точно так же, как это предсказывает теория квантового поля.

Таким образом, физики увидели механизм, очень похожий на образование "пузырей": небольшой группе атомов нужно было скооперироваться и одновременно перескочить в новое состояние. Чем сильнее внешнее поле, тем меньше должен быть такой "пузырь", а значит, процесс идет быстрее.

Но на этом совпадении с теорией дело не закончилось. Наблюдая за процессом долгое время, исследователи обнаружили нечто необычное. При определенных значениях силы лазера распад происходил гораздо быстрее, чем предсказывали стандартные модели "ложного вакуума". Оказалось, что это особенность систем, состоящих из дискретных частиц (в данном случае — атомов в кольце). В непрерывных космических полях такой эффект невозможен.

"Наш эксперимент позволил наблюдать за процессом квантового туннелирования в реальном времени. Он воспроизвел предсказанный распад ложного вакуума в довольно простом настольном эксперименте", — говорит один из соавторов работы Мэн Кун Тей.

"Одинаковые уравнения"

Хотя эксперимент проводился с небольшим количеством атомов, в силу чего считается неполным и имеет ряд приближений, он в целом правильно воспроизводит ту же физику, что и гипотетический процесс во всей Вселенной, говорит научный директор Российского квантового центра Алексей Акимов.

"Одинаковые уравнения дают одинаковые решения. Но никто не сказал, что мы пользуемся правильными уравнениями для Вселенной. Если они правильные — то да, модель в лаборатории показывает примерно то же самое. Если нет — то нет", — отмечает он.

Ученый обращает внимание, что процессы во Вселенной не всегда доступны для прямого наблюдения. Тогда как квантовые симуляторы "позволяют посмотреть, что происходит вживую (хоть и на модели), в том числе изучить вопросы, плохо поддающиеся расчету, к которым часто относится динамика процесса".

Однако, по словам Акимова, беспокоиться о конце света не стоит: теории многих вакуумных состояний обсуждают уже не первый год, но это не помешало Вселенной существовать более десяти миллиардов лет.