Chociaż nasz Wszechświat wydaje się stabilny, w rzeczywistości może znajdować się w stanie „fałszywego spokoju”. Przerażająca koncepcja teoretyczna znana jako zanik fałszywej próżni sugeruje, że całą naszą rzeczywistość można w jednej chwili zastąpić bardziej stabilnym stanem fizycznym.
Niedawno zespół fizyków pod kierownictwem Uniwersytetu Tsinghua w Chinach z powodzeniem przeprowadził symulację tego katastrofalnego procesu w laboratorium. Chociaż ten eksperyment nie stanowi zagrożenia dla naszego istnienia, zapewnia nowy, istotny sposób badania jednej z najgłębszych tajemnic fizyki.
Koncepcja: Wszechświat znajduje się w stanie przejściowym
Aby zrozumieć rozpad fałszywej próżni, musimy najpierw zrozumieć, czym jest „próżnia” w kontekście fizyki kwantowej. W klasycznym sensie próżnia to pusta przestrzeń. Jednakże w kwantowej teorii pola próżnia jest po prostu stanem pola kwantowego o najniższej możliwej energii.
Niebezpieczeństwo pojawia się, jeśli nasza aktualna próżnia nie jest absolutnym minimum energii, ale jedynie „lokalnym minimum” – tymczasowym punktem spoczynku.
Analogia do jezior
Wyobraź sobie krajobraz, w którym kilka jezior znajduje się na różnych wysokościach.
– Fałszywa próżnia jest jak jezioro znajdujące się w misce wysokogórskiej.
– Prawdziwa próżnia jest jak znacznie głębsza depresja w dole góry.
Jeśli na dnie jeziora położonego na dużej wysokości otworzy się „tunel”, woda spłynie do głębszego zagłębienia. Jeśli w naszym Wszechświecie niewielki obszar przestrzeni „przechodzi” do stanu o niższej energii, powstanie bańka prawdziwej próżni. Ta bańka będzie się rozszerzać niemal z prędkością światła, pochłaniając wszystko na swojej drodze i natychmiast przepisując prawa fizyki w miarę ruchu.
Nagroda naukowa: Jednoczenie dwóch światów
Dlaczego naukowcy mieliby marnować zasoby, symulując katastrofę kosmiczną? Odpowiedź leży w podstawowym konflikcie współczesnej fizyki: próbie ujednolicenia Ogólnej teorii względności i Kwantowej teorii pola.
- Ogólna teoria względności jest naszym głównym kluczem do „makroświata”: wyjaśnia grawitację, gwiazdy i wielkoskalową strukturę Wszechświata.
- Kwantowa teoria pola kontroluje „mikroświat”: zachowanie atomów i cząstek subatomowych.
W tej chwili te dwie koncepcje nie współgrają ze sobą; są matematycznie niezgodne. Jednak załamanie się fałszywej próżni następuje właśnie na ich skrzyżowaniu. Początkowy „wyzwalacz” (tunelowanie do stanu o niższej energii) jest procesem kwantowym, ale późniejsza ekspansja jest zdarzeniem relatywistycznym wpływającym na cały kosmos. Badając to przecięcie, fizycy mają nadzieję znaleźć jednolitą teorię, która wyjaśni, jak oba światy działają jako całość.
Eksperyment: użycie atomów Rydberga jako modelu
Ponieważ nie możemy ryzykować wyrwania dziury w strukturze przestrzeni, badacze zastosowali złożony surogat: atomy Rydberga.
Atomy Rydberga to atomy silnie wzbudzone, w których elektrony znajdują się daleko od jądra, przez co są „nadęte” i niezwykle wrażliwe na siły zewnętrzne. Dzięki tej czułości idealnie nadają się do symulacji złożonych procesów kwantowych.
Jak poszła symulacja:
- Przygotowanie: Naukowcy ułożyli równą liczbę odpychających się atomów Rydberga w pierścień, tworząc symetryczny wzór naprzemiennych „spinów”.
- Przełamanie symetrii: Za pomocą laserów zespół złamał tę symetrię, powodując, że pierścień wszedł w stan, w którym może istnieć w dwóch różnych konfiguracjach energetycznych.
- Dezintegracja: Jeden wzór reprezentował „fałszywą próżnię”, a drugi „prawdziwą próżnię”. Naukowcy zaobserwowali, że pierścień „rozpada się” ze stanu niestabilnego do preferowanego stanu podstawowego.
Wniosek
Eksperyment nie odkrył nowego sposobu zniszczenia wszechświata, ale dokonał czegoś być może ważniejszego: potwierdził modele teoretyczne przy użyciu kontrolowanego systemu laboratoryjnego. Udowadniając, że atomy Rydberga mogą dokładnie naśladować mechanikę zaniku próżni, naukowcy otwierają nowe pole do eksploracji chaotycznej granicy, w której zderzają się mechanika kwantowa i teoria względności.
Ten przełom daje fizykom istotne narzędzie do rozwiązania największej tajemnicy nauki: zjednoczenia mikroświata i makrokosmosu.
