В чистом виде распад ложного вакуума в основное состояние происходит за счет квантово-вакуумных флуктуаций. Британские ученые впервые воспроизвели процесс распада ложного вакуума с помощью квантового симулятора.
Распад ложного вакуума: вводный обзор
В этом видео поговорим о космической пустоте, о распаде ложного вакуума, о том насколько такое событие вероятно, и как это может произойти. Многие российские СМИ новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». С такого пузыря начинается квантовый распад ложного вакуума в теориях с неравноправными вакуумами.
Физики из Кембриджского университета впервые смоделировали распад ложного вакуума
Это позволило им рассматривать одну волновую функцию электрона вместо двух. Наконец, сначала исследователи рассмотрели более простой случай одинаковых ионов, а потом обобщили результат на случай произвольных зарядов. В результате ученые выяснили, как вероятность рождения электрон-позитронных пар зависит от относительной скорости ионов. Однако при повышении суммарного заряда пары ионов график вероятности начинал резко загибаться вверх при низких значениях энергии, которые отвечали "почти лобовым" столкновениям. Чтобы увидеть это загибание, ученые проверили, как производная вероятности рождения пар зависит от суммарного заряда ионов. Другими словами, при таких зарядах зависимость перестает быть монотонной, в ней появляется минимум. Следовательно, вероятность рождения электрон-позитронной пары при "почти лобовом" столкновении можно использовать как индикатор распада. При этом ученые подчеркивают, что монопольное приближение, которое использовалось в расчетах, хорошо работает при "почти лобовых" столкновениях. Также ученые отмечают, что предложенную вероятность уже сейчас можно измерить на практике.
Эволюция Вселенной в этом случае происходит за счет распада первоначального метастабильного состояния. Пузырь истинного вакуума расширяется внутри пузыря ложного вакуума в соответствии со специальной теорией относительности, не быстрее скорости света, и уничтожает всю материю первоначального мира. Поэтому и говорят о возможной гибели наблюдаемой Вселенной. Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. Главное, что необходимо сделать, — это оценить вероятность рождения пузыря новой космологической фазы. Есть два основных подхода, позволяющих максимально упростить задачу и получить явные выражения для вероятности перехода — приближения тонкой и толстой стенок. В качестве базового объекта выступает потенциал Хиггса иначе — Гинзбурга-Ландау Стандартной модели — современной концепции физики элементарных частиц. В нем присутствует поле Хиггса, ответственное за возникновение у частиц инертной массы. Образованию пузыря истинного вакуума в пузыре ложного соответствует фазовый переход первого рода, когда система претерпевает скачкообразное, а не непрерывное, как в фазовом переходе второго рода, изменение. Главное в обоих приближениях — высота потенциального барьера, разделяющего ложный и истинный вакуум. Приближение тонкой стенки работает, когда различие между ложным и истинным минимумами потенциала намного меньше высоты барьера между ними.
Однако у пузыря есть тонкие стенки, в которых хиггсовское поле плавно переходит от истинного вакуума в ложный. Эти стенки обладают положительной энергией, по аналогии с поверхностным натяжением на границе жидкости. Исходя из соображений размерности, оцените коэффициент поверхностного натяжения стенки в этой задачи. После этого найдите критический размер пузыря, который должен появиться где-нибудь во Вселенной, чтобы с него начался распад вакуума. На последнем шаге постарайтесь понять, как вероятность появления такого пузыря во Вселенной зависит от его размера. Затем подставьте найденный размер и получите ответ. Решение Шаг 1. Полная энергия тонкостенного пузыря радиуса R равна Критический размер пузыря, с которого начнется распад вакуума во всей Вселенной, вычисляется так же, как и критический размер пузырька пара для начала кипения перегретой жидкости. Надо лишь, чтобы полная энергия этого пузыря была отрицательной. Вообще, оценки на основе размерностей работают тогда, когда в задаче не возникает безразмерного параметра. Но на помощь тут приходит дополнительный физический аргумент. Действительно, поверхностное натяжение возникает тут, потому что хиггсовское поле «переваливает через гору». Отсюда получаем, что критический размер пузыря по порядку величины равен Шаг 2. Теперь надо получить вероятность возникновения такого пузыря во Вселенной. Такой размер выбран не случайно: по соотношению неопределенности, на таком размере могут происходить квантовые флуктуации с энергиями порядка v. Иными словами, в таком объемчике хиггсовское поле легко скачет туда-сюда, и может, в частности, перевалить через потенциальную гору. Ясно, что эта вероятность большая. В этом пузыре имеется маленьких объемчиков, и каждый из них перепрыгивает независимо с вероятностью p. Значит, вероятность того, что все они сразу перепрыгнут, равна причем численным коэффициентом q, который порядка единицы, мы тут пренебрегли. Теперь учтем размеры видимой части Вселенной, радиус которой обозначим через RU. Поэтому если ждать очень долго и смотреть на всю Вселенную в целом, то рано или поздно это где-то случится.
Международная группа ученых смогла получить первые экспериментальные подтверждения распада ложного вакуума. Их исследования были опубликованы в престижном журнале Nature Physics. Ложный вакуум - это состояние с низкой энергией, которое считается относительно стабильным, но может перейти в состояние с минимальной энергией, известное как истинный вакуум. Но такой переход затруднен из-за высокого барьера энергии.
Смерть Вселенной из-за распада вакуума показали на видео
Но оказывается, в неминимальных вариантах хиггсовского механизма возможна ситуация, напоминающая рис. В них потенциал чуть-чуть перекошен «в пользу» одного из минимумов рис. Теперь самый важный момент. Два «вакуума» теперь разные. Тот, который поглубже, — истинный вакуум — отвечает минимальной плотности энергии, и он вечен. Тот, который повыше, — ложный вакуум — не совсем стабилен. До поры до времени он может выглядеть как нормальный вакуум, и в нём тоже могут летать частицы, происходить взаимодействия и образовываться звезды и планеты. Но всегда существует вероятность, что этот вакуум «сломается», что он протуннелирует в более стабильный истинный вакуум. Этот квантовый распад вакуума выглядит так.
В какой-то момент во Вселенной, находящейся в состоянии «ложного вакуума», появляется пузырь истинного вакуума рис. Переход между областью истинного и ложного вакуума не может быть разрывным, теория такой возможности не допускает. Поэтому имеется тонкая промежуточная зона стенка пузыря , в которой хиггсовское поле плавно переходит от одного вакуума в другой, преодолевая по пути потенциальный барьер. Если этот пузырь энергетически выгоден, то он начнет расширяться, вначале медленно, но затем разгонится до скорости света. При таком переходе свойства частиц резко изменятся, а во Вселенной выделится много дополнительный энергии, которая была раньше запасена в ложном вакууме. Иными словами, последствия такого распада вакуума будут катастрофическими для любых структур, населявших «старую» Вселенную. Этот процесс во многом напоминает вскипание перегретой жидкости, только, разумеется, масштабы здесь не те. Пояснение насчет единиц измерения и размерностей.
В результате длина выражается не в метрах, а в обратных энергетических единицах, например Дж—1 или эВ—1. Подсказка 1 Разумеется, честное полноценное решение представляет собой серьезную научную задачу. Однако очень грубую оценку времени жизни можно дать из довольно простых рассуждений, которые опираются на анализ размерностей. Подсказка 2 Рассмотрим неподвижный пузырь «истинного вакуума» радиуса R во Вселенной, находящейся в состоянии «ложного вакуума».
В первом случае можно говорить о минимальном энергетическом состоянии хиггсовского поля. Для второго же есть отличная от нуля вероятность перехода в более глубокий, в частности, истинный вакуум. Именно такой «исход событий» и представлен на видео, показывающем результат разрушения материи Вселенной.
Специально для демонстрации этого опасного для всего живого процесса они опубликовали на YouTube на канале Kurzgesagt видеоролик. Исследователи высказали гипотезу, что весь существующий мир имеет два вакуумных состояния: истинное и ложное. В первом случае есть минимальное электрическое поле, которое не может разрушить Вселенную.
Ferrari из Трентского университета провела эксперимент с переохлажденным газом, состоящим из атомов изотопа натрия-23 23Na. Газ удерживался в оптической ловушке и охлаждался до экстремально низкой температуры, при которой переходил в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна. Ученые готовили атомы, чтобы их спиновое состояние обеспечивало локальный минимум энергии бозе-конденсата в начале измерений. Физики измеряли профили намагниченности системы в зависимости от времени и наблюдали ее пузырьковообразный переход в глобальный минимум по энергии. Ученые сравнили скорость образования пузырька истинного вакуума и частоту распадов ложного вакуума с численным моделированием классической динамики поля, а также с простой теорией инстантонов, основанной на приведенном функционале энергии намагниченности. Компьютерное моделирование совпало с экспериментальными результатами, что по мнению ученых доказывает наблюдение распада ложного вакуума в истинный.
Открытие распада ложного вакуума: ученые получили доказательства
| Впервые получены доказательства распада ложного вакуума - Hi-Tech | В результате распада ложного вакуума огромная энергия, запасенная полем, высвободится — в конечном счете, это выразится в образовании большого числа частиц и приведет к повторному разогреванию Вселенной. |
| Физик уточнил скорость распада ложного вакуума | Нанотехнологии Nanonewsnet | Примечательно, что видео показывает как может погибнуть мир в результате распада ложного вакуума. |
| Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой" | Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. |
| Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума - | При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. |
| Когда распад ложного вакуума уничтожит Вселенную | На канале Kurzgesagt видеосервиса Youtube появилась запись, на которой продемонстрировано разрушение Вселенной в результате распада ложного вакуума внутри неё. |
Распад вакуума уничтожит Вселенную
| Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума - | Если все пути распада ведут к очень массивным частицам, энергетический барьер такого распада может привести к образованию стабильного пузыря ложного вакуума (также известного как шар Ферми), окружающего частицу ложного вакуума. |
| Впервые получены доказательства распада ложного вакуума | Ученые заявили, что из-за распада ложного вакуума Вселенная может быть разрушена. |
Физики увидели распад ложного вакуума
Пузырение: в лаборатории квантовых газов в Тренто команда создала сверхтекучую спиновую смесь атомов натрия в состоянии ложного вакуума (синий) и наблюдала и изучала ее распад до состояния истинного вакуума (красный) посредством образования спиновых пузырей. Пузырь истинного вакуума расширяется внутри пузыря ложного вакуума в соответствии со специальной теорией относительности, не быстрее скорости света, и уничтожает всю материю первоначального мира. **Ученые из Великобритании впервые применили квантовый симулятор для просчета. С такого пузыря начинается квантовый распад ложного вакуума в теориях с неравноправными вакуумами.
Распад вакуума
В чистом виде распад ложного вакуума в основное состояние происходит за счет квантово-вакуумных флуктуаций. Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. Произойти это должно не скоро, но, по мнению некоторых ученых, Вселенная может погибнуть «раньше срока» в результате одного из апокалипсисов, например, в результате распада ложного вакуума. Гибель Вселенной может наступить из-за распада ложного вакуума, об этом гласит одна из научных теорий. Если это ложный вакуум, то его самопроизвольный распад произойдет намного позже естественной смерти Солнца.