Возможно, что бозон Хиггса связан с причудливым сценарием конца света для Вселенной.
Ключевые выводы
- В конце концов, Вселенной придет конец. Мы придумали несколько вариантов, но ни один из них не является столь поразительным, как вакуумный распад.
- Если произойдет распад вакуума, изменение энергетического уровня поля Хиггса приведет к тому, что «пузырь» нарушенной физики расширится по всей Вселенной со скоростью света.
- Мы не знаем наверняка, вероятен или даже возможен этот сценарий, но его понимание может помочь расширить наше понимание фундаментальных принципов работы Вселенной.
Это печальный факт жизни, что всему приходит конец, и Вселенная не является исключением. Основываясь на нашем нынешнем понимании физики, у нас есть несколько хороших предположений относительно того, что может произойти. Вселенная может остыть до такой степени, что ничто не сможет выжить, или она может внезапно рухнуть сама на себя. Тем не менее, ни один из этих гипотетических исходов не является столь головокружительным, как распад вакуума.
В этом тревожном сценарии где-то во вселенной лопается пузырь. Внутри пузыря законы физики сильно отличаются от законов вне пузыря. Пузырь расширяется со скоростью света, в конечном итоге захватив всю вселенную. Галактики расходятся, атомы не могут держаться вместе, а способы взаимодействия частиц коренным образом меняются. Какую бы форму Вселенная ни приняла после этого события, она определенно не будет гостеприимной для людей.
Как такое могло произойти?
Чтобы понять распад вакуума, сначала нам нужно понять состояние вакуума. Для большинства из нас вакуум относится к космическому пространству и другим местам, лишенным материи. Однако космическое пространство на самом деле не пусто. Вместо этого он содержит флуктуирующие квантовые поля, которые производят частицы, ответственные за фундаментальные законы физики во всей нашей Вселенной. Когда это пространство имеет как можно меньше энергии, оно называется вакуумным. Несмотря ни на что, эти квантовые поля продолжают выполнять свою работу, скрепляя ткань реальности.
Мы знаем о 17 частицах, которые возникают, когда возбуждаются эти квантовые поля. Это просто забавный способ, которым физики называют квантовое поле, получившее энергию. Фотон является примером одной из таких частиц, которую мы воспринимаем как свет и которая отвечает за электромагнитное излучение, такое как рентгеновские лучи и микроволны. Есть также кварки, которые становятся протонами и нейтронами в наших атомах. Другие частицы создают другие силы, такие как сильное и слабое ядерное взаимодействие, которые в конечном итоге определяют правила функционирования нашей Вселенной.
Когда лежащие в основе квантовые поля, создающие эти частицы, находятся в своем вакуумном состоянии, Вселенная стабильна. По определению, состояние вакуума не может терять энергию - если бы это было возможно, то способ работы фундаментальных частиц также мог бы измениться, а это означало бы, что наша Вселенная могла бы перестать работать так, как сейчас.
Большинство квантовых полей находятся в своем вакуумном состоянии, поэтому они стабильны, и мы в безопасности. Однако измерить эти вещи очень и очень сложно, и возможно, что одно квантовое поле еще не достигло своего вакуумного состояния: поле Хиггса.
На этом графике показаны энергетические состояния гипотетического квантового поля. Нахождение в ложном вакууме очень похоже на мяч, застрявший в долине на склоне холма; барьер не позволяет мячу скатиться вниз до его истинного вакуумного состояния.
Wikimedia Commons
Какое отношение поле Хиггса имеет к распаду вакуума
Поле Хиггса и связанный с ним бозон Хиггса ответственны за то, почему вещи вообще имеют массу. Вот почему у фотонов нет массы, а у Z-бозонов масса (по крайней мере, для квантовой частицы). Таким образом, очень важно, как фундаментальные частицы взаимодействуют друг с другом.
Возможно, поле Хиггса «застряло» на определенном уровне энергии. Думайте об этом как о катении мяча с холма - все остальные поля «скатывались» к подножию холма, но поле Хиггса может застрять в небольшой долине вдоль склона холма, не давая ему достичь подножия.
Если наименьшее возможное количество энергии, которое может иметь поле, называется состоянием вакуума, то эту долину можно считать ложным вакуумом; оно кажется стабильным, но на самом деле у него больше энергии, чем должно быть там, где должно быть поле Хиггса. То, что может привести к тому, что поле Хиггса застрянет, требует довольно много математики - для целей этой статьи важно знать, что физики считают, что возможно, что поле Хиггса может пройти еще дальше, прежде чем оно сможет достичь его вакуумное состояние.
Проблема в том, что наша Вселенная зависит от свойств поля Хиггса в ее текущем состоянии. Что могло вытолкнуть поле Хиггса из его долины? Скорее всего, для этого потребуется огромное количество энергии. Но это также может произойти из-за странного эффекта в квантовом мире, называемого квантовым туннелированием. Поскольку квантовые частицы ведут себя как волны, они потенциально могут проходить через барьер, а не над ним. Думайте об этом как о прокладывании туннеля сквозь стену долины, которая удерживает поле Хиггса на месте.
Пабло Карлос Будасси через Wikimedia Commons
Последствия распада вакуума
Если поле Хиггса вырвется из своего ложного вакуума и спустится в свое истинное вакуумное состояние, физика, управляющая нашей Вселенной, рухнет. По мере того, как хрупкий баланс между квантовыми частицами нарушается, поле Хиггса вырывается из своего ложного вакуума с эффектом домино во всей Вселенной, называемым распадом вакуума. Пузырь распада вакуума распространится по Вселенной со скоростью света. Когда он пройдет, все - материя, силы вселенной - перестанет функционировать так, как сейчас.
Что происходит потом, совершенно неизвестно. Законы физики были бы полностью изменены, что почти наверняка сделало бы наше существование невозможным. Атомы могут перестать держаться вместе, химические вещества могут реагировать новыми и неопределенными способами, и может происходить множество других странных вещей, которые мы не можем себе представить.
К счастью, эта теория основана на нашем нынешнем понимании Вселенной, которое является неполным. Мы не знаем наверняка, находится ли поле Хиггса в ложном вакууме, мы просто знаем, что это может быть. Более того, для того, чтобы поле Хиггса вырвалось из своего ложного вакуума, может потребоваться очень много времени, намного больше, чем мы с вами пробудем. И если это событие действительно произойдет, мы ничего не сможем сделать, чтобы остановить его. Итак, если распад вакуума действительно является возможным концом нашего существования, нам просто нужно привыкнуть к нему.