Гибель Вселенной может наступить из-за распада ложного вакуума, об этом гласит одна из научных теорий.
Позитроны укажут на распад вакуума при столкновении тяжёлых ионов
Однако количественный анализ распада ложного вакуума сопряжен с большой неопределенностью. 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. Аннотация: На примере распада метастабильного состояния скалярного поля (конформный вакуум скалярных частиц над ложным классическим вакуумом). Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, предлагают экспериментальные доказательства образования пузырей в результате распада ложного вакуума в квантовой системе. Многие российские СМИ новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». В этом видео поговорим о космической пустоте, о распаде ложного вакуума, о том насколько такое событие вероятно, и как это может произойти.
5 сценариев смерти Вселенной
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. Если толщина стенок намного меньше радиуса пузыря, основной вклад в вероятность его рождения вносит поверхностная, а не объемная энергия.
Определение вероятности при этом сводится к вычислению показателя экспоненты. Приближение толстой стенки гораздо реже используется в физически интересных теориях. И понятно почему: в этом случае вероятность образования пузырьков новой фазы оказывается экспоненциально подавленной — ложный вакуум практически неотличим от истинного. В настоящее время самой тяжелой элементарной частицей считается топ-кварк — его масса превышает 173 гигаэлектронвольт.
В начале 1970-х годов несколько российских физиков по отдельности исследовали идею о том, что между устойчивым вакуумом и нестабильным невакуумом есть нечто среднее: вакуумоподобное состояние, которое кажется стабильным из-за очень длительного периода существования до распада. Этот «ложный вакуум» помогает устранить несоответствия в теориях о ранних условиях во Вселенной. Хотя концепция ложного вакуума была предложена для описания только переходного периода до Большого взрыва, недавние исследования в области поля Хиггса квантовое силовое поле, обнаруживаемое ускорителем частиц ЦЕРН предполагают, что мы все еще можем жить в ложном вакууме: то, что раньше считалось стабильным с наименьшей энергией состоянием поля Хиггса, может не являться состоянием с самой низкой энергией. Один из ответов — из-за «пузыря ничего». Пузырь из ничего — один из примеров «пузыря пространства-времени», где пространство-время обладает различными свойствами внутри и за пределами пузыря. Если в пространстве ложного вакуума спонтанно образуется пузырь из ничего, то он будет расти, и в конечном итоге поглотит всю Вселенную. Но почему пузырь ничего до сих пор не сформировался? Ответ следует искать в теории струн — популярном и успешном кандидате на звание «теории всего», которая описывает крошечные струны со свойствами, которых нет у других фундаментальных частиц.
Для детей старше 16 лет. Адрес электронной почты редакции: tsi udmtv.
Более подробно про ложный вакуум читайте в нашем материале «Из пустого в порожнее». Группа физиков под руководством Габриэля Феррари G. 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.
Как Вселенная разрушится от распада вакуума?
Если толщина стенок намного меньше радиуса пузыря, основной вклад в вероятность его рождения вносит поверхностная, а не объемная энергия. Определение вероятности при этом сводится к вычислению показателя экспоненты. Приближение толстой стенки гораздо реже используется в физически интересных теориях. И понятно почему: в этом случае вероятность образования пузырьков новой фазы оказывается экспоненциально подавленной — ложный вакуум практически неотличим от истинного. Вероятность туннелирования зависит от квантовых поправок в потенциал Хиггса, в частности от вклада тяжелых частиц. В настоящее время самой тяжелой элементарной частицей считается топ-кварк — его масса превышает 173 гигаэлектронвольт. Именно поэтому открытия новых тяжелых частиц так важны для космологических моделей — это может повлиять на прогнозы стабильности наблюдаемого мира. Особая роль в распаде вакуума у гравитации — кривизны пространства-времени. В частности, микроскопические черные дыры, которые могут возникать при столкновениях частиц высоких энергий, в сотни раз повышают вероятность рождения в их окрестностях пузырей с истинным вакуумом.
Динамика космологических пузырей еще сложнее, если внутри первоначальной Вселенной формируется несколько пузырей — расширяясь и сталкиваясь друг с другом, они создают новый мир с истинным вакуумом. Сегодня неизвестно, в каком состоянии находится Вселенная.
Главный редактор Панина Елена Валерьевна. Редактор сайта Кузнецов Николай Владимирович. Для детей старше 16 лет.
Для обычных частиц или полей вакуумное состояние — это просто отсутствие каких-либо частиц.
Хиггсовское поле особенное, у него энергетически наивыгодное состояние может быть вовсе не пустое. Вселенная в результате этого оказывается заполнена однородным хиггсовским полем. Подробнее см. Простейший вариант такой ситуации — это «хиггсовское» поле h r с такой плотностью потенциальной энергии его еще называют «потенциал» : Здесь r — это трехмерная пространственная координата, v — некоторая величина размерности энергии для настоящего хиггсовского поля она примерно равна 246 ГэВ. Минимальной энергия будет тогда, когда во всём пространстве поле h r будет равно константе: v или —v. Любое изменяющееся в пространстве поле обязательно приведет в целом к большей энергии.
Высота потенциального барьера, разделяющего два минимума, равна Рис. В некоторых хиггсовских механизмах может возникнуть ситуация с двумя неравноправными вакуумами. 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.
Ранее новорожденных белых акулят никто не видел, хотя ученые давно подозревали, что воды у калифорнийского побережья служат родильным домом для белых акул.
Как выяснилось, всего 100 каланов в одном эстуарии на севере Калифорнии могут настолько хорошо регулировать численность роющих крабов, что скорость береговой эрозии падает в четыре раза. Эта связь была подтверждена наблюдениями, экспериментами и моделированием. Им стала горячая суперземля , железное ядро которой занимает почти весь объем планеты.
Она обращается вокруг красного карлика и не имеет атмосферы. Для этого они измеряли намагниченность в бозе-конденсате атомов изотопа натрия-23 и наблюдали за образованием пузырьков истинного вакуума.
Смерть Вселенной из-за распада вакуума показали на видео
Naked Science разъяснил новости о конце света из-за распада ложного вакуума. Переход хиггсовского поля в состояние истинного вакуума вызовет вселенский распад материи, продемонстрировали ученые проекта Kurzgesagt. Точнее, есть бесконечный ложный вакуум, который расширяется с бесконечно огромной скоростью, и в нем возникают зоны распада, где формируются вселенные, как пузырьки углекислоты в открытой бутылке газировки.
Распад ложного вакуума
Ученые наблюдали зарождение пузырьков в этих сверхтекучих средах, а численное моделирование подтвердило их наблюдения. Этот прорыв не только подтверждает теоретические предположения, основанные на теории инстантонов, но также открывает новые перспективы для исследования неравновесных квантовых полей. Кроме того, результаты исследования предоставляют ценную информацию о процессах, происходящих в квантовых системах многих тел.
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?
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. Такое положение вещей может существовать только при самых экстремальных температурах. 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.
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.
Физики отмечают, что предложенный ими метод позволит подробнее изучить распад ложного вакуума квантовых состояний. Кстати, наш вакуум вполне вероятно тоже является ложным. О том так ли это, и что будет со Вселенной, если он распадется, читайте в нашем материале , подготовленном совместно с Яндекс.
Такая конфигурация называется инстантоном. Поскольку уравнения движения выводятся исходя из принципа наименьшего действия , на инстантонах действие поля принимает наименьшее значение. С другой стороны, в функциональном интеграле , который описывает вероятность распада, действие стоит в показателе быстро осциллирующей экспоненты — следовательно, инстантоны будут давать наибольший вклад в эту вероятность. Зависимость величины поля слева и энергии справа от расстояния до центра пузырька. Легко увидеть, что поле плавно переходит из истинного вакуума в ложный.
Для этого Коулман использовал приближение тонкой стенки, в котором поле резко переходит из истинного вакуума внутри пузырька в ложный вакуум снаружи, то есть предполагал, что размеры переходной области много меньше размеров пузырька. При этом до последнего времени было неизвестно, насколько оправдано такое приближение — другими словами, было неясно, насколько велика погрешность рассчитанной таким образом скорости распада. Цветом отмечена область интегрирования. Оказалось, что нижней границей, как и предполагалось, является результат Коулмена, в котором натяжение стенки минимально, а верхняя граница находится из предположения, что поле полностью протуннелировало из ложного вакуума в истинный. Каждое из неравенств ученый доказывал по-разному. Чтобы доказать первое утверждение, физик изменил потенциал поля специальным способом, добавив в него разрыв.
Когда распад ложного вакуума уничтожит Вселенную
Дело в том, что мы не знаем точно массы многих элементарных частиц. Отсюда и неопределенность в расчетах Стандартной модели. Как только удастся определить массы с высокой точностью, станет ясно, возможен ли второй вид вакуума, "истинный". Если - да, тогда в принципе не исключен вариант, когда наш "ложный" вакуум перейдет в "истинный". Это напоминает пузырек воздуха в кипящем чайнике. Во Вселенной где-то случайно образуется пузырек, внутри которого истинный вакуум. Пузырек расширяется, его стенки летят со скоростью света и наконец, лопается. И этот истинный вакуум заполняет все пространство.
Но вероятность образования такого пузырька, согласно Стандартной модели, мизерна. Для этого потребуется время на много порядков большее, чем время жизни Вселенной. Число с сотней нулей лет. То есть теоретическая возможность распада ложного вакуума в истинный есть, но реально это займет астрономическое время.
Какую бы форму Вселенная ни приняла впоследствии, она определенно станет непригодной для жизни человека. Как такое может быть Чтобы понять, что такое распад вакуума, сначала следует разобраться, что такое вакуумное состояние. У большинства людей слово «вакуум» ассоциируется с открытым космосом и другими областями, в которых нет материи. Однако открытый космос, на самом деле, не пустой. Напротив, в нем есть флуктуирующие квантовые поля, производящие частицы, которые отвечают за фундаментальные законы физики во Вселенной. Когда это пространство достигает минимального энергетического уровня, говорят, что оно находится в вакуумном состоянии. Тем не менее эти квантовые поля, несмотря ни на что, продолжают работу, удерживая таким образом ткань реальности от разрушения. Нам известны 17 частиц, которые появляются при возмущении квантовых полей — или, другими словами, когда квантовое поле получает энергию. Одна из таких частиц — фотон, который мы воспринимаем как свет и который отвечает за электромагнитные излучения вроде рентгеновского и микроволнового среди прочих. Также есть кварки, которые собираются в протоны и нейтроны в атомных ядрах. Другие частицы — частицы взаимодействий — вроде сильного и слабого, — которые в итоге диктуют, как работает Вселенная. На этом графике показаны энергетические состояния гипотетического квантового поля. Исходя из определения, вакуумное состояние не может терять энергию, так как, если бы было справедливо обратное, работа фундаментальных частиц также была бы иной, а значит, и Вселенная перестала бы работать так, как она это делает сейчас. Большинство квантовых полей, судя по всему, находятся в своих квантовых состояниях, а значит, стабильны, а мы — в безопасности.
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. В результате проведенных экспериментов ученые наблюдали образование маленьких пузырьков истинного вакуума в квантовой системе, которая представляла собой переохлажденный газ из изотопов натрия-23.
Такой переход обычно осложнен высоким энергетическим барьером, но возможен благодаря квантовомеханическому туннелированию, в результате которого в ложном вакууме появляются пузырьки истинного вакуума. Эксперимент был проведен с использованием переохлажденного газа изотопов натрия-23, который при температуре менее одного микрокельвина обретает свойства сверхтекучей жидкости. В эксперименте ученые использовали ферромагнитный атомный конденсат Бозе-Эйнштейна, где ложный и истинный вакуум соответствовали локальному и глобальному минимумам энергии. Результаты наблюдений согласуются с численными моделями и подтверждают квантово-механическую природу распада, демонстрируя, что атомные сверхтекучие жидкости являются идеальным инструментом для исследования явлений неравновесного квантового поля.
Категории статьи
- VISTA рекомендует
- Журнал Forbes Kazakhstan
- Физики из Британии впервые воспроизвели процесс распада «ложного вакуума»
- Предсказанный Хокингом конец света оказался очередной "страшилкой"
- Домен припаркован в Timeweb
- Ученые получают доказательства распада ложного вакуума
Физики показали на видео разрушение Вселенной из-за распада вакуума
Опубликовано в журнале Физика природы Полученные результаты дают экспериментальные доказательства образования пузырьков в результате ложного распада вакуума в квантовой системе. На примере ферромагнитной жидкости жидкости итальянские физики смогли впервые экспериментально засвидетельствовать распад ложного вакуума в квантовом макроскопическом поле. Физики увидели распад ложного вакуума Итальянские физики зарегистрировали распад ложного вакуума в ферромагнитной сверхтекучей жидкости.
5 сценариев смерти Вселенной
Распад существовавшего тогда ложного вакуума привел к быстро расширяющемуся пространству, заполненному раскаленной материей. Гибель Вселенной может наступить из-за распада ложного вакуума, об этом гласит одна из научных теорий. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума.