Наша Вселенная обладает положительным, ненулевым значением энергии, заключённой в пустом пространстве. Можем ли мы обезопасить себя, обеспокоившись о предотвращении распада вакуума?
Ключевые тезисы:
-
Хотя поведение тёмной энергии, по всей видимости, полностью согласуется с моделью космологической постоянной, её положительное, ненулевое значение может оказаться не истинным «основным состоянием» Вселенной, а лишь ложным минимумом;
-
Если это действительно так, то не исключено, а возможно, даже весьма вероятно или попросту неизбежно, что когда-нибудь Вселенная совершит переход в состояние с ещё более низкой энергией, что приведёт к сценарию абсолютного уничтожения всего, известному как распад вакуума;
-
В этом случае возникнет «пузырь разрушения», который будет распространяться во все стороны со скоростью света, и мы не сможем его обнаружить до тех пор, пока он нас не настигнет. Означает ли это, что беспокоиться об этом совершенно бессмысленно, или же мы всё-таки сможем найти хитроумный способ спастись?
Когда мы вглядываемся в бездну космоса, он кажется самым безмятежным и умиротворённым. Ночь за ночью планеты и Луна движутся предсказуемо, как часовой механизм, а звёзды, Млечный Путь и даже внегалактические объекты практически не меняются с течением времени. Конечно, случаются и катастрофические события: звёзды гибнут, на их месте на короткое время вспыхивают новые источники света, а затем угасают, когда сияющие светила исчерпывают своё топливо, эволюционируют, а порой и взаимодействуют друг с другом. Но само пространство, хотя и расширяется, кажется самым стабильным из всего существующего, теми самыми «подмостками», на которых разыгрывается спектакль Вселенной.
Нам кажется, что мы в безопасности, и на то есть две основные причины: всё, что потенциально может представлять опасность, находится очень и очень далеко, а любые сигналы, даже несущие огромную энергию и способные причинить вред, могут распространяться лишь со скоростью света. Это касается не только нейтрино, высокоэнергетического излучения и ударных волн от таких событий, как вспышки сверхновых, но и, возможно, величайшей катастрофы из всех мыслимых — распада вакуума. Переход Вселенной из состояния ложного вакуума в состояние с более низкой энергией стал бы катастрофой, уничтожающей наш мир (и не только): мы бы даже не увидели её приближения, пока она и её последствия не настигли бы нас. Значит ли это, что нам стоит совсем перестать об этом беспокоиться? Именно это хочет узнать Яир Гивони, который написал нам:
«Если пузырь распада ложного вакуума возникнет где-то там, за пределами наблюдаемой Вселенной, и этот пузырь распространяется не быстрее скорости света, он никогда до нас не доберётся. Так зачем же волноваться?»
Каждый сам решает, о чём стоит беспокоиться, а о чём нет. Но раз вы спросили меня — я считаю, что есть множество веских причин не только беспокоиться, но и думать о решениях того, что может стать самой серьёзной проблемой, с которой мы когда-либо столкнёмся. И вот почему.
Небольшая справка от avshkol о вакууме и его возможном «распаде»
Итак, что такое вакуум в современной физике? В обыденном понимании вакуум — это абсолютная пустота. Однако с точки зрения квантовой теории поля, даже если удалить из пространства всю материю, излучение и любые внешние воздействия, оно не станет абсолютно «пустым». Пространство пронизано квантовыми полями, которые существуют всегда.
Эти поля обладают собственной энергией, называемой энергией нулевых колебаний (zero-point energy). Наблюдения показывают, что в нашей Вселенной эта энергия имеет небольшое, но положительное и ненулевое значение (одно из её проявлений мы связываем с тёмной энергией, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением).
Состояние квантовой системы с наименьшей возможной энергией называется её основным состоянием.
-
Истинный вакуум — это состояние с абсолютным, глобальным минимумом энергии. Это максимально стабильная конфигурация, из которой системе больше некуда «скатываться».
-
Ложный вакуум — это метастабильное состояние. Представьте шарик, скатывающийся с горы: истинный вакуум можно представить как дно долины, а ложный вакуум — это ямка на склоне, где шарик может застрять и лежать там миллионы лет. Со стороны система кажется стабильной (локальный минимум), но ниже существует долина, отделённая от шарика энергетическим барьером.
Кратко о том, как (возможно) работает механизм распада (Квантовое туннелирование). В классической физике шарик не сможет выбраться из ложбины на склоне без внешнего толчка, поскольку ему нужно перевалить через бугор. Но наша Вселенная подчиняется законам квантовой механики.
Благодаря вероятностной природе квантового мира существует ненулевая вероятность, что поле преодолеет энергетический барьер, разделяющий ложный и истинный вакуум, и перейдёт в состояние с ещё более низкой энергией. Этот процесс называется квантовым туннелированием. Он абсолютно случаен, не имеет никаких предвестников/предпосылок и может произойти в любой точке пространства в любой момент времени.
Если наша Вселенная действительно находится в состоянии ложного вакуума и произойдёт такой переход, последствия будут фатальными:
-
В случайной точке пространства возникнет «пузырь» истинного вакуума, который начнёт стремительно расширяться во все стороны со скоростью света.
-
Энергия вакуума (как предполагается в этой модели) определяет фундаментальные константы, массы элементарных частиц и силы взаимодействий. Внутри нового пузыря эти параметры будут совершенно иными.
-
Вся материя в её нынешнем виде (протоны, атомы, молекулы, звёзды, планеты и звёзды) окажется нестабильной в новых условиях и мгновенно распадётся.
-
Поскольку «пузырь разрушения» расширяется с предельно возможной скоростью (скоростью света), никакой сигнал не может опередить его. Мы не сможем ни увидеть приближение катастрофы, ни подготовиться к ней — информация о ней придёт к нам в ту же самую секунду, когда пузырь нас настигнет.
Можно было бы добавить такой драматический финал: всё, что создавалось эволюцией Вселенной на протяжении 13,8 млрд лет, будет стёрто в одно мгновение, уступив место новой реальности с совершенно другими законами физики.
Но ещё раз подчеркнём:
-
если только законы физики не заданы, например, Большим взрывом, а определяются локальным минимумом вакуума;
-
если мы не в глобальном минимуме;
-
если это событие произойдёт в той части Вселенной, которая не удаляется от нас быстрее скорости света…
В XX веке одна из главных задач космологии заключалась в том, чтобы раз и навсегда определить, из чего на самом деле состоит Вселенная. Мы узнали, что материя и излучение — часть этой истории: та часть, к которой принадлежим и мы. Мы узнали, что где-то существует тёмная материя, и что по своим гравитационным проявлениям её слишком много, чтобы она могла быть просто «обычной материей», которая тёмная и не излучает свет. Мы узнали, что нейтрино существуют, но они слишком легки и слишком быстро двигались в ранней Вселенной, чтобы объяснить наблюдаемое.
Затем, в 1990-х годах, начали поступать первые убедительные свидетельства (от взрывающихся звёзд, расположенных в сотнях миллионов и даже миллиардах световых лет от нас), подтверждавшие картину Вселенной, в которой есть не только тёмная материя, но и новая форма энергии, заставляющая расширение Вселенной не замедляться, а ускоряться: тёмная энергия. Спустя почти 30 лет после её открытия тёмная энергия по-прежнему согласуется (несмотря на некоторые расхождения, на которые указывают новейшие данные по крупномасштабной структуре) с космологической постоянной, как постоянная, положительная, ненулевая форма энергии, равномерно распределенная и присущая самому пространству во всех его точках.
Дополнение от avshkol: о каких расхождениях говорится по ссылке?
В статье по ссылке Итан Сигел подробно разбирает недавние дискуссии в космологии, связанные с публикацией новых данных DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) весной 2025 года.
Суть расхождений (или «напряжённости») заключается в конфликте между новыми наблюдениями и Стандартной космологической моделью (
). Вот основные моменты нестыковок:
-
Тёмная энергия может оказаться не константой. Согласно общепринятой модели, тёмная энергия — это космологическая постоянная (
). Её плотность неизменна во времени и пространстве. Однако данные DESI (полученные на основе барионных акустических осцилляций) в сочетании с данными по сверхновым и реликтовому излучению показывают статистически значимое отклонение (от 2,8 до 4,2 сигма). Они намекают на то, что тёмная энергия динамическая: в ранней Вселенной она была сильнее, а с течением времени ослабевает. -
Конфликт между независимыми наборами данных: Сигел указывает на то, что разные астрофизические методы измерений начали «тянуть одеяло на себя» и перестали согласовываться друг с другом (от DESI, данные по сверхновым типа Ia, данные по реликтовому излучению)
-
Появление «нефизических» параметров. Ещё одна проблема модели с «ослабевающей» тёмной энергией заключается в её побочных эффектах. Если заставить математику подогнать эту гипотезу под все имеющиеся наблюдательные данные, модель начинает выдавать абсурдные значения для других фундаментальных величин. В частности, расчёты приводят к тому, что сумма масс нейтрино становится отрицательной. Поскольку масса не может быть отрицательной, это явный сигнал о том, что с моделью (или с исходными данными) что-то не так.
Итан Сигел делает вывод, что громкие заголовки о «конце космологической постоянной» и «ослаблении тёмной энергии» преждевременны. Вероятнее всего, мы столкнулись не с открытием новой физики, а с тем, что пытаемся склеить не до конца согласованные наборы данных, в которых могут скрываться неучтённые систематические ошибки. Стандартная модель пока не опровергнута, но эти расхождения показывают, что космологам предстоит серьёзно перепроверить методы калибровки измерений.
Сегодня мы, опираясь на данные, которые несравненно превосходят по качеству те, что были доступны в XX веке, и на множество независимых линий доказательств, не только смогли подтвердить существование тёмной энергии, но и установили, что она является доминирующей формой энергии во Вселенной, тем, что «можно открыть лишь единожды», как напомнил нам лауреат Нобелевской премии Адам Рисс в интервью 2024 года.
Примечание от avshkol: что значит «можно открыть лишь единожды»?
Эта фраза принадлежит нобелевскому лауреату Адаму Риссу и в оригинале звучит так:
«Only once in the history of humankind can we literally discover most of the Universe!»
«Только один раз в истории человечества мы можем буквально открыть бо́льшую часть Вселенной!»
На протяжении всей истории науки, когда астрономы смотрели в телескопы, они изучали лишь обычную (барионную) материю: звёзды, планеты, газовые облака, пыль и чёрные дыры. Казалось логичным, что именно из этого и состоит космос. Однако наблюдения конца XX века показали удивительную вещь: вся видимая материя составляет около 5% от общей массы и энергии Вселенной.
Остальные 95% были скрыты от нас. Открытие тёмной материи (~27%) в середине XX века и открытие тёмной энергии (~68%) в 1998 году (за которое Рисс и получил Нобелевскую премию) буквально означало, что человечество внезапно нашло и описало бо́льшую часть нашей Вселенной, о существовании которой мы даже не подозревали.
А раз это преобладающая часть, её можно открыть только раз. (Хотя, не будем зарекаться…)
Первоначально существовали большие неопределённости относительно поведения тёмной энергии, в том числе:
-
будет ли она ослабевать, то есть уменьшаться в плотности, по мере расширения Вселенной;
-
будет ли она нарастать по силе или интенсивности со временем, что привело бы к сценарию Большого разрыва;
-
является ли она пространственно однородной, то есть одинаковой повсюду, либо же она будет образовывать сгущения, подобно материи;
-
проявляет ли она признаки эволюции в пространстве или во времени;
-
отклоняется ли она от предсказаний модели космологической постоянной каким-либо образом.
Сегодня, в 2026 году, спустя почти три десятилетия после появления первых свидетельств существования тёмной энергии, ответ на все эти вопросы, по всей видимости, отрицательный.
Это означает, что тёмная энергия в рамках нашей теории гравитации (общей теории относительности Эйнштейна) ведёт себя как космологическая постоянная. У этого понятия есть аналог и в нашем «другом» способе осмысления физической Вселенной — в квантовой теории поля. В любой квантовой системе существует состояние с наименьшей энергией, также называемое энергией нулевых колебаний системы. Можно было бы подумать, что значение этой энергии всегда равно нулю, но на самом деле это вовсе не так.
Рассмотрим, например, скромный атом водорода, показанный выше. В состоянии с наименьшей энергией, его называют основным состоянием, электрон обращается вокруг ядра в виде облакоподобной конфигурации. Однако электрон не покоится в центре атома, находясь прямо на ядре, он обладает довольно быстрым движением (указывающим на наличие кинетической энергии), неопределённым положением, «размазанным» вследствие принципа неопределённости Гейзенберга, и конечной, положительной, ненулевой энергией. Это было установлено более ста лет назад и стало одним из первых свидетельств того, что не каждую систему можно свести к состоянию с нулевой энергией.
Подробнее от avshkol о состояниях атома водорода:
Атом водорода и энергия нулевых колебаний
Что такое основное состояние? Основное состояние (ground state) — это состояние квантовой системы с минимально возможной энергией. Для атома водорода это орбиталь 1S, где электрон находится ближе всего к ядру и обладает наименьшей энергией. Любое другое состояние (2S, 2P, 3S и т.д.) называется возбуждённым и имеет более высокую энергию.
Почему электрон не падает на ядро?
В классической физике заряженная частица, движущаяся по орбите (как электрон вокруг ядра), должна терять энергию на излучение и в конце концов упасть на ядро. Но мы этого не наблюдаем…
Квантовая механика спасает ситуацию с падением электронов на ядро благодаря принципу неопределённости Гейзенберга:
Это означает, что нельзя одновременно точно знать и положение частицы (Δx), и её импульс (Δp).
Если бы электрон «упал» на ядро и покоился прямо на нём:
-
Его положение было бы известно очень точно:
(размер ядра ~10-15 м) -
Тогда неопределённость импульса стала бы огромной:
-
Это означало бы колоссальную кинетическую энергию, которая буквально «вытолкнула» бы электрон обратно от ядра
В результате электрон находит компромисс: он «размазывается» в облако вероятности радиусом ~0.53 Å (боровский радиус), что балансирует между:
-
Потенциальной энергией притяжения к ядру (которая уменьшается при приближении к ядру)
-
Кинетической энергией движения (которая растёт при сжатии облака из-за принципа неопределённости)
Энергия нулевых колебаний
Энергия основного состояния атома водорода составляет -13.6 эВ (относительно полностью свободного электрона и протона). Но интересный момент заключается в том, что эту энергию у ядра невозможно отнять. Система не может иметь энергию ниже -13.6 эВ.
Это и есть энергия нулевых колебаний (zero-point energy) — минимальная энергия, которой обладает квантовая система даже при абсолютном нуле температуры. Электрон не может «успокоиться» и остановиться, поскольку он всегда движется, «дрожит» из-за квантовых флуктуаций.
Связь с квантовым вакуумом
Итан проводит аналогию:
-
Атом водорода не может иметь нулевую энергию — у него всегда есть энергия нулевых колебаний
-
Точно так же пустое пространство (квантовый вакуум) не обязано иметь нулевую энергию
-
Наблюдения показывают, что энергия вакуума действительно конечна, положительна и не равна нулю (это и есть тёмная энергия)
Таким образом, атом водорода служит простейшей иллюстрацией квантового принципа: минимальная энергия системы не обязана быть нулевой. Этот же принцип применяется и ко всей Вселенной: пространство, даже лишённое частиц и излучения, обладает собственной энергией, которая может быть стабильной (истинный вакуум) или метастабильной (ложный вакуум с возможностью распада).
Оказывается, это можно распространить даже на систему, содержащую ни что иное, как само пустое пространство, поскольку пустое пространство по-прежнему содержит квантовые поля (и законы физики). Нет ничего, что предписывало бы энергии нулевых колебаний пустого пространства обязательно равняться нулю. Это значение может быть конечным и положительным, нулевым или конечным и отрицательным. Лишь измеряя расширение Вселенной и то, как скорость этого расширения меняется со временем, мы можем восстановить картину содержимого нашей Вселенной и определить значение энергии нулевых колебаний.
Как убедительно показывают наблюдения, это значение мало и представляет собой энергетический эквивалент нескольких протонов на кубический метр пространства, но при этом оно конечно, положительно и отлично от нуля.
выше, чем в истинном вакууме, или основном состоянии, однако существует барьер, препятствующий классическому «скатыванию» поля в истинный вакуум. Заметьте также, что состояние с наименьшей энергией (истинный вакуум) может иметь конечное, положительное, ненулевое значение. Известно, что энергия нулевых колебаний многих квантовых систем превышает ноль, и никто не знает, обусловлена ли наблюдаемая сегодня тёмная энергия состоянием истинного или ложного вакуума. (Иллюстрация: Stannered/Wikimedia Commons)
Это порождает поистине грандиозный, экзистенциальный вопрос: стабильна ли наша Вселенная в своей нынешней конфигурации? Является ли это конечное, положительное, низкоэнергетическое состояние, в котором мы находимся, подлинным основным состоянием Вселенной, или же это лишь «локальный минимум» среди всех возможных энергетических конфигураций, при котором существует по меньшей мере одно (а возможно, и несколько) состояние с ещё более низкой энергией? Такой переход может произойти самопроизвольно: либо путём прямого перехода, либо, если прямой переход запрещён, посредством квантового туннелирования, при котором даже запрещённые переходы (как, например, сверхтонкий переход в атоме водорода) могут осуществляться.
Для системы частиц, например атома, переход из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой приводит к испусканию энергии, в данном случае в виде фотона (а иногда и нескольких фотонов). Если переход требует квантового туннелирования, он может занимать чрезвычайно длительное время и при этом происходить случайно, без предупреждения и в непредсказуемые моменты. Когда переход всё же происходит, сигналы от него (то есть фотоны) могут распространяться наружу лишь со скоростью света.
Для самого пустого пространства (или для квантового поля в целом) подобный переход приведёт к совершенно иному результату.
Энергия нулевых колебаний квантовых полей в пространстве, помимо прочего, определяет константы связи этих полей, и именно они отвечают за интенсивность сил и взаимодействий между всеми квантами во Вселенной. Измените энергию нулевых колебаний — и изменится поведение сил. Это означает, что:
-
изменится структура протонов и нейтронов;
-
изменятся массы покоя атомов и атомных ядер;
-
изменятся переходы между различными энергетическими уровнями;
-
изменятся формы и связи, присутствующие во всех молекулах и ионах;
-
и в целом правила, обеспечивающие формирование всех связанных структур, будут отличаться от тех, что действуют сегодня.
Комментарий avshkol об определении энергией нулевых колебаний квантовых полей физических констант:
Чтобы понять, почему считается, что энергия нулевых колебаний (энергия самого вакуума) определяет фундаментальные константы и силы природы, нужно отказаться от представления о вакууме как об абсолютной пустоте.
В квантовой физике вакуум — это сложная, кипящая среда, заполненная невидимыми квантовыми полями, которые постоянно флуктуируют (в них рождаются и исчезают виртуальные частицы).
Как же эта нестабильная среда диктует законы физики? Вот возможные объяснения:
В квантовой теории поля все элементарные частицы (электроны, кварки) «плавают» в океане вакуумных флуктуаций. Каждая частица постоянно взаимодействует с этим океаном, окружая себя «шубой» из виртуальных частиц. То, что мы измеряем в лабораториях как фундаментальные константы (например, электрический заряд электрона или силу сильного взаимодействия, удерживающего ядра атомов), — это не «голые» свойства самих частиц. Это их статистические свойства, прошедшие через многочисленные взаимодействия с энергией нулевых колебаний вакуума.
Энергия вакуума задает «плотность» этой среды. Изменим энергию вакуума — изменится «экранировка» частиц, и они начнут притягиваться или отталкиваться с совершенно другой силой.
В доказательство этого подхода есть конкретные явления, которые мы можем измерить в лаборатории:
-
Эффект Казимира: Если поместить две незаряженные металлические пластины очень близко друг к другу в идеальном вакууме, они начнут притягиваться. Почему? Потому что между пластинами могут существовать только определенные вакуумные флуктуации (те, чья длина волны «помещается» в зазор), а снаружи — любые. Разница в давлении «вакуумной энергии» снаружи и внутри создает реальную физическую силу, способную двигать макрообъекты.
-
Лэмбовский сдвиг (Lamb shift): В атоме водорода электрон постоянно «дрожит» из-за того, что существуют вакуумные флуктуации электромагнитного поля, которые постоянно толкают его. Из-за этого дрожания орбиталь электрона слегка размывается, и он чувствует заряд ядра немного иначе. В результате уровни энергии атома (2S и 2P), которые по классическим формулам должны быть абсолютно одинаковыми, слегка сдвигаются. Вакуум напрямую меняет внутреннюю структуру и энергию атома.
-
Спонтанное излучение: Почему возбужденный атом (например, в неоновой вывеске) в конце концов испускает фотон, хотя в идеальной пустоте ему не обо что было бы «споткнуться»? Ответ: его «толкают» флуктуации вакуума. Именно энергия нулевых колебаний определяет время жизни атомов в возбужденных состояниях.
-
Силы Ван-дер-Ваальса: Молекулы слипаются вместе (именно поэтому газы могут конденсироваться в жидкости) благодаря тому, что вакуумные флуктуации синхронизируют дипольные моменты молекул.
Возвращаясь к Итану: константы связи (сила электромагнетизма, сила ядерных взаимодействий) жестко привязаны к текущему уровню энергии вакуума.
Если произойдет распад вакуума (переход в состояние с более низкой энергией нулевых колебаний), «океан», в котором плавают частицы, мгновенно изменит свои свойства. Это затронет и сильное, и электромагнитное взаимодействие, пока непонятно как, но это может разрушить существующие структуры атомов и молекул.
Из этого следует, что любая устойчивая структура, состоящая из нескольких связанных элементарных частиц, от протонов и нейтронов до атомных ядер, атомов, молекул и живых существ, окажется нестабильной в своей нынешней конфигурации, если квантовый вакуум успешно протуннелирует в состояние с более низкой энергией и большей стабильностью.
Иными словами, если энергия нулевых колебаний пустого пространства изменится там, где находимся мы, и если мы перейдём из состояния, которое сегодня воспринимаем как наинизшее по энергии, в состояние с ещё меньшей энергией, будь то «истинное основное состояние» или просто более глубокий «ложный минимум», то всё, из чего мы состоим, мгновенно распадется. Сами строительные блоки атомов перестроятся в конфигурацию, более устойчивую при новых правилах, и это будет означать практически мгновенный конец всех структур из обычной материи, существующих сегодня.
.png){kind=link}
Разумеется, пространство огромно, и вероятность такого перехода, если мы не находимся на низшем из всех возможных энергетических состояний, случайна: он с равной вероятностью может произойти где угодно — как где-то далеко, так и здесь, где мы находимся. Мы живём во Вселенной, которая необъятна:
-
наша Солнечная система имеет размеры в 1-2 световых года;
-
наша Галактика имеет поперечник более 100 000 световых лет;
-
наша Местная группа (крупнейшая гравитационно связанная структура, в которую мы входим) простирается на 3-5 миллионов световых лет;
-
Вселенная за пределами Местной группы расширяется;
-
если бы мы отправили сегодня сигнал со скоростью света, он мог бы достичь объектов, находящихся на расстоянии от 15 до 18 миллиардов световых лет;
-
самый далёкий объект, который мы можем наблюдать сегодня, находится на расстоянии 46 миллиардов световых лет от нас;
-
а ненаблюдаемая Вселенная за пределами наблюдаемой области простирается на неизвестное расстояние (возможно, бесконечное), но, вероятно, намного, намного превосходит наблюдаемую Вселенную.
Можно задаться вопросом: зачем вообще беспокоиться о распаде вакуума? Ведь если он где-то произойдёт, то, исходя просто из соображений объёма Вселенной, это, скорее всего, случится где-то очень и очень далеко от нас.
Где бы это ни произошло — законы, управляющие материей, и, следовательно, сама материя фундаментально изменят свои свойства и структуру, и это уничтожило бы нас мгновенно. Но это разрушение просто началось бы в некоторой точке и распространялось бы во все стороны в виде «пузыря разрушения», движущегося со скоростью света сквозь расширяющуюся Вселенную.
Если только это не произойдёт в нашей собственной Галактике, то до нас пузырю придётся добираться более 100 000 лет. Если только это не произойдёт в пределах досягаемой, доступной для связи Вселенной (на расстоянии примерно 15-18 миллиардов световых лет), он вообще никогда до нас не доберётся. А если это произойдёт за пределами наблюдаемой Вселенной, весьма вероятно, что ничто в нашей наблюдаемой Вселенной никогда не вступит с ним во взаимодействие.
Так зачем же беспокоиться?
Причин более чем достаточно. Во-первых, возможно, распад вакуума уже где-то произошёл и часть Вселенной уже разрушена и перестроена. Однако, пока этот «пузырь разрушения» не достигнет нас, у нас не будет никакой возможности его обнаружить, поскольку он распространяется со скоростью света — максимальной скоростью, с которой любой сигнал может распространяться во Вселенной. Во-вторых, если распад вакуума вообще возможен, если существует ненулевая вероятность его возникновения, то когда-нибудь он неизбежно произойдёт и в нашей области, и возникший «пузырь разрушения» уничтожит и нас. Но третья причина для беспокойства (или хотя бы для размышлений) состоит в том, что если это возможно, то, возможно, и есть способ предотвратить этот переход или не допустить его.
Возможность предотвратить случайный квантовый переход может показаться довольно необычной, но если наша система зависит от квантового туннелирования, предотвращение квантового перехода действительно возможно. Это явление известно как квантовый эффект Зенона — истинная версия ложной поговорки о том, что «наблюдаемый чайник никогда не закипает».
Дополнение avshkol о квантовом эффекте Зенона:
Квантовый эффект Зенона (иногда называемый парадоксом Тьюринга) — это одно из самых поразительных и контринтуитивных явлений в физике.
Если просто: частое наблюдение за нестабильной квантовой системой не позволяет ей измениться или распасться.
Эффект назван в честь древнегреческого философа Зенона Элейского, который сформулировал знаменитый парадокс о летящей стреле. Зенон рассуждал так: в любой конкретный, бесконечно малый момент времени летящая стрела занимает определенное место в пространстве и, следовательно, покоится. Если время состоит из таких моментов, то стрела не движется вообще. В квантовой механике этот философский парадокс обретает реальный физический смысл: непрерывное «подсматривание» за квантовой частицей буквально лишает её возможности эволюционировать.
Чтобы понять, как наблюдение «замораживает» систему, нужно вспомнить два правила квантовой механики:
-
Эволюция волновой функции: Когда квантовая система предоставлена сама себе, её волновая функция (описывающая вероятности всех возможных состояний) плавно и непрерывно «расплывается». Например, нестабильный атом постепенно переходит в суперпозицию: «ещё не распавшийся атом» + «уже распавшийся атом».
-
Коллапс при измерении: Как только мы проводим измерение (наблюдение), волновая функция мгновенно «схлопывается» в одно конкретное состояние.
Главный секрет эффекта Зенона кроется в математике самого начала такого перехода. Когда система только начинает переходить из состояния А в состояние Б, вероятность этого перехода растет не линейно, а квадратично (пропорционально квадрату времени, 
). Это значит, что в самые первые, ничтожно малые доли секунды вероятность перехода буквально стремится к нулю.
Если вы проводите измерения очень часто (через крошечные интервалы времени 
), происходит следующее:
-
Система едва успевает начать эволюцию.
-
Вы делаете измерение. Поскольку прошло очень мало времени, вероятность того, что система уже перешла в новое состояние, почти нулевая.
-
Измерение «схлопывает» волновую функцию обратно в исходное состояние А.
-
Эволюционные «часы» системы сбрасываются в ноль.
Если повторять этот процесс постоянно, система будет бесконечно возвращаться в точку старта, так и не успев накопить вероятность для полноценного квантового перехода. Она буквально «замирает» под пристальным взглядом наблюдателя.
Квантовый эффект Зенона был многократно подтвержден в лабораториях. Например, в 1989 году группа физиков под руководством нобелевского лауреата Дэвида Вайнленда работала с ионами бериллия, удерживаемыми в электромагнитной ловушке. Они облучали ионы так, чтобы те могли перейти в другое энергетическое состояние. Но когда ученые начали «спрашивать» у ионов об их состоянии (проводить измерения) с высокой частотой, ионы отказывались переходить в новое состояние. Чем чаще они «смотрели», тем сильнее замедлялся переход.
(Существует и обратное явление — анти-эффект Зенона, когда измерения с определенной частотой могут, наоборот, ускорить распад системы, но это зависит от специфики взаимодействия со средой).
В контексте статьи Итана распад вакуума — это процесс квантового туннелирования из нашего текущего состояния (ложного вакуума) в состояние с ещё меньшей энергией (истинный вакуум). Этот процесс абсолютно случаен и не требует внешнего толчка.
Но поскольку распад вакуума подчиняется законам квантовой механики, к нему применим и эффект Зенона. Итан Сигел выдвигает смелую (и сугубо теоретическую на данном этапе развития нашей цивилизации) идею: если мы сможем создать некий механизм или поле, которое будет непрерывно «измерять» или взаимодействовать с квантовым вакуумом в нашей локальной области пространства, мы будем постоянно «сбрасывать» его волновую функцию.
Мы не дадим вероятности туннелирования накопиться. Мы буквально заморозим нашу часть Вселенной в состоянии ложного вакуума, сделав её искусственно стабильной и навсегда отсрочив (или полностью предотвратив) образование «пузыря разрушения».
Таким образом, «наблюдаемый чайник» в квантовом мире действительно никогда не закипит, а непрерывно наблюдаемая Вселенная никогда не распадётся.
Если у нас есть квантовая система, способная туннелировать в одно или несколько состояний (включая более стабильные), то с течением времени её волновая функция будет расплываться. Будет существовать ненулевая вероятность того, что по прошествии определённого времени квантовая система перейдёт в более стабильную конфигурацию, завершив квантовый переход. Это может быть:
-
распад радиоактивного атома;
-
переворот спина электрона относительно спина атомного ядра, вокруг которого он обращается;
-
или распад системы, находящейся в метастабильном состоянии (ложном минимуме), в более стабильное состояние (истинный минимум или, по крайней мере, более глубокий ложный минимум).
Однако вероятность таких переходов, определяемая такими характеристиками, как «период полураспада» или «среднее время до распада/перехода», может изменяться, и в частности может увеличиваться, просто путём частых, многократных измерений квантового состояния. Иными словами, если мы можем непрерывно «наблюдать» за квантовым вакуумом в его текущем состоянии (т.е. взаимодействовать с ним), и если мы сможем делать это постоянно, то мы сможем полностью предотвратить такое квантовое туннелирование.
Прежде чем излишне беспокоиться, стоит отметить, что мы не знаем, находимся ли мы в ложном минимуме квантового вакуума или же наша Вселенная действительно пребывает в истинном, наинизшем энергетическом состоянии. Мы знаем из наблюдений, что энергия нулевых колебаний пустого пространства положительна и отлична от нуля, но мы не знаем, возможно ли состояние с ещё более низкой энергией. Если нет — беспокоиться совершенно не о чем: вакуум вечно стабилен, и сценарий «пузыря разрушения» остаётся чисто теоретическим и никогда не осуществится в нашей Вселенной.
Но если мы находимся в состоянии ложного минимума квантового вакуума и распад вакуума возможен, то квантовые переходы (и возникающие в результате «пузыри разрушения», которые будут расширяться во все стороны) неизбежны. Конечно, благодаря необъятности нашей Вселенной, ускоренному расширению пространства и конечной скорости света, с которой распространяются сигналы, вероятность того, что какой-либо конкретный переход когда-либо затронет нас, ничтожна: «пузырь разрушения», скорее всего, никогда не достигнет нас и не вступит с нами во взаимодействие. Но, рано или поздно, один из них неизбежно нас достигнет. Сам факт того, что мы потенциально способны предотвратить образование такого пузыря здесь, где мы находимся, должен служить достаточным поводом для того, чтобы задуматься об этом всерьёз и предотвратить собственную гибель. В конце концов, это единственная известная нам Вселенная, и именно она сделала возможным наше появление. Уже по одной этой причине её стоит сохранить. А если мы способны внести в это свой вклад — тем более стоит к этому стремиться.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1068418/