Распад вакуума

Распад вакуума

В марте 2008 года отставной офицер службы ядерной безопасности по имени Уолтер Вагнер подал иск в суд США с требованием предотвратить запуск Большого адронного коллайдера (БАК). По мнению Вагнера, это была отчаянная попытка спасти мир. Разумеется, его иск был обречен на провал. Во-первых, БАК контролируется Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), а не правительством США. Во-вторых, переживания Вагнера, пусть и искренние, были совершенно необоснованными. В конце концов, руководство ЦЕРН выпустило несколько пресс-релизов, чтобы заверить общественность в безопасности используемых технологий, после чего строительство и эксплуатация БАК были возобновлены.
 
Но это не помогло предотвратить рост панических настроений среди некоторых слоев населения по мере приближения даты первых запланированных испытаний. БАК был создан для проведения самых мощных в истории экспериментов в области физики элементарных частиц, предполагающих столкновение протонов в четырех местах гигантской круглой охлажденной вакуумной трубы, длина окружности которой составляет около 27 километров.

Эти столкновения внутри детекторов должны сопровождаться всплесками энергии, мощность которых достаточна для воссоздания условий Горячего Большого взрыва, имевших место спустя всего несколько наносекунд после рождения Вселенной. Ученые надеялись, что БАК поможет лучше изучить не только условия ранней Вселенной, но и саму структуру материи и энергии. Более ранние эксперименты показали, что законы физики энергозависимы, то есть поведение частиц и действие сил зависит от окружающих условий, поэтому столкновение частиц высоких энергий позволило бы ученым исследовать границы нашего понимания законов физики.
 
Однако в поле зрения ученых маячил и более заманчивый приз. До этого физики на протяжении десятилетий теоретизировали по поводу существования частицы, настолько важной для понимания материи, что ее открытие должно было завершить Стандартную модель физики элементарных частиц. Бозон Хиггса, если бы он был обнаружен, позволил бы подтвердить ведущую теорию, объясняющую, как фундаментальные частицы могли обрести массу на ранней стадии развития Вселенной. Кроме того, мы надеялись, что это даст нам некоторое представление о физических законах, действующих за пределами нашей нынешней сферы исследований.
 
Но сама перспектива изучения неизвестных областей реальности вселяла страх в сердца некоторых людей. Никто и никогда не производил столкновений частиц такой высокой энергии. Никто не знал, как законы физики поведут себя в таких условиях.
 
По Всемирной паутине начали распространяться наихудшие сценарии развития событий. Кто-то предполагал, что установка откроет портал в другое измерение, разорвав саму ткань пространства. Кто-то говорил о возможном возникновении крошечной черной дыры, которая начнет расти и в итоге поглотит всю планету. Кто-то боялся, что в результате будет создана так называемая странная материя – своеобразное вещество, состоящее из странных, верхних и нижних кварков, что, по мнению некоторых, могло запустить цепную реакцию в стиле «лед-девять» (в книге Курта Воннегута «Колыбель для кошки» рассказывается о создании новой формы вещества под названием «лед-девять», которая более стабильна по сравнению с жидкой водой. Соприкоснувшись с частицей льда-девять, вода и сама превращается в это вещество, что создает угрозу существованию жизни на Земле).
 
Однако физиков это не остановило. В ноябре 2009 года на ускорителе БАК произвели первые столкновения протонов высокой энергии. Из того, что жизнь на этой планете все еще существует, следует, что ни одна из предполагаемых катастроф так и не произошла. (Если вы все еще волнуетесь, можете отслеживать ситуацию в режиме реального времени на сайте: www.hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com) Но, может, нам просто повезло? Был ли этот эксперимент оправдан, учитывая потенциальные риски?
 
Физиков нельзя назвать самыми осторожными людьми, однако изучение сценариев типа «что, если» – это наш хлеб насущный, кроме того, возможность глубоко подумать о реальной физике, стоящей за гипотетической вероятностью всеобщего уничтожения, было бы очень жаль упускать. В 2000 году четыре физика (один из которых впоследствии получил Нобелевскую премию) написали шестнадцатистраничную статью для журнала Reviews of Modern Physics под названием Review of Speculative ‘Disaster Scenarios’ at RHIC («Обзор спекулятивных “катастрофических сценариев” для RHIC»). RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) – это релятивистский коллайдер тяжелых ионов, предшественник БАК, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который был предназначен для столкновения ядер тяжелых элементов вроде золота при высоких энергиях. Сам по себе этот новаторский эксперимент вызывал беспокойство по поводу непредвиденных последствий, которые могли представлять угрозу существованию планеты (или Вселенной), и цель написания этой статьи заключалась в том, чтобы полностью исследовать и по возможности развеять эти опасения.
 
Полученные результаты были обнадеживающими. Основываясь на теоретических соображениях, исследователи оценили возможность создания странной материи или черных дыр как крайне маловероятную. Кроме того, их выводы подкреплялись и экспериментальными данными, а именно существованием Луны.
 
Аргументация в пользу любого потенциально разрушительного явления, порожденного коллайдером, основывается на идее о том, что столкновения частиц такой высокой энергии настолько беспрецедентны, что мы не можем предугадать их последствий. Однако при этом игнорируется важный факт: несмотря на то что уровни энергии, достигаемые на RHIC и БАК, непривычны для нас, жалких людишек, космические лучи, путешествующие по Вселенной, постоянно их достигают и сталкиваются между собой и с другими объектами. По словам авторов статьи, посвященной ускорителю RHIC, космические лучи с незапамятных времен проводят во Вселенной RHIC-подобные эксперименты. На протяжении миллиардов лет по всей Вселенной происходили столкновения при гораздо более высоких энергиях, чем может обеспечить любой из наших коллайдеров, и если бы они могли привести к разрушению космоса, мы бы наверняка это заметили.
 
«Минуточку, – скажете вы, – а что если столкновения космических лучей в глубоком космосе на самом деле невероятно разрушительны, но происходят слишком далеко, чтобы повлиять на нас? Что если по всему космосу разбросаны скопления странной материи, а мы просто этого не знаем?» Такое опасение вполне обоснованно.
 
Несмотря на то что в большинстве случаев частицы, произведенные в коллайдере, по нашему мнению, обладают остаточным импульсом, который позволяет им покинуть лабораторию сразу после возникновения, в ходе экспериментов мы вполне можем получить нечто опасное, способное задержаться в детекторе. Что тогда?
 
К счастью, для исследования этих эффектов мы можем использовать Луну. Данные, полученные от наземных детекторов и космических телескопов, говорят о том, что высокоэнергетические космические лучи бомбардируют Луну постоянно. (На самом деле, благодаря радиотелескопам мы можем использовать Луну даже в качестве детектора нейтрино, что само по себе довольно здорово.) Если бы столкновения частиц высоких энергий могли превратить обычное вещество в странную материю, это уже давно произошло бы на Луне, и сейчас в небе мы бы видели совершенно другой объект. Если бы на Луне образовалась крошечная черная дыра и поглотила ее, это также повлияло бы на вид ночного неба. Не говоря уже о том, что люди были на Луне, гуляли по поверхности, играли в гольф и привезли оттуда образцы грунта. Судя по всему, Луна прекрасно себя чувствует, поэтому авторы работы, посвященной RHIC, были уверены, что ускоритель не представляет для нас опасности.
 
Правда, странная материя и черные дыры были не единственными сценариями апокалипсиса. Еще одно опасение, которое также удалось развеять путем наблюдения за высокоэнергетическими космическими лучами, заключалось в том, что столкновения частиц высоких энергий могут вызвать разрушительное для Вселенной квантовое событие под названием «распад вакуума». Эта идея основывается на гипотезе о том, что нашей Вселенной присуща некая фатальная нестабильность. Несмотря на то что такой сценарий может показаться пугающим, каким бы маловероятным он ни был, на момент ввода RHIC в эксплуатацию реальные доказательства существования такой нестабильности отсутствовали, поэтому данная возможность не рассматривалась всерьез.
 
Однако все изменилось в 2012 году, когда с помощью ускорителя БАК был обнаружен бозон Хиггса.
 
Состояние Вселенной
 
Вернейший способ заставить специалиста по физике элементарных частиц поморщиться – это назвать бозон Хиггса «частицей бога», как он известен широкой публике. Недовольство ученых по поводу этого высокопарного прозвища вызвано не только смешением науки и религии (хотя некоторых именно это раздражает больше всего). Дело в том, что название «частица бога» ужасно неточное и, надо сказать, довольно дерзкое. Это не отменяет огромной важности бозона Хиггса для Стандартной модели физики элементарных частиц. Можно даже утверждать, что именно он является ключом к объединению всего остального. Однако центральную роль в работе физики элементарных частиц и в природе космоса играет поле Хиггса, а не частица.
 
Если коротко, поле Хиггса представляет собой пронизывающее все пространство энергетическое поле, при взаимодействии с которым другие частицы обретают массу. Бозон Хиггса имеет такое же отношение к полю Хиггса, как фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия (и света), к электромагнитному полю, – это локализованное «возбуждение» чего-то, что пронизывает обширное пространство. Более длинная версия этой истории имеет отношение к электрослабой теории, которая объединяет слабое взаимодействие с электричеством и магнетизмом, а также к разделению этих сил вследствие так называемого спонтанного нарушения симметрии.
 
(Здесь я вынуждена совершить над собой героическое усилие и вместо подробного описания квантовой теории поля ограничиться обсуждением нескольких ключевых вопросов. Однако имейте в виду, что если вы решите изучить математику, стоящую за всем этим, вы увидите, что все намного круче.)
 
Физика работает по-разному в зависимости от уровня энергии. Например, электромагнетизм и слабое взаимодействие проявляются как совершенно независимые феномены на тех уровнях энергии, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, однако в ранней Вселенной, для которой были характерны очень высокие уровни энергии, эти силы представляли собой аспекты одного и того же явления. Поле Хиггса играло важную роль во время этого переходного периода. Когда условия изменились, то же произошло и с законами физики.
 
Во многом именно для этого мы и создаем ускорители частиц: чтобы воссоздать в небольшом пространстве внутри детекторов экстремальные условия, характерные для начальных стадий развития Вселенной, с помощью которых мы могли бы лучше понять основополагающие физические принципы, сводящие всё воедино. Основная идея заключается в существовании некой всеобъемлющей математической теории, описывающей взаимодействия частиц при всех возможных условиях, и последовательное проведение их столкновений позволяет нам получить более полное представление об этой всеобъемлющей структуре.
 
В качестве аналогии можно привести воду. На самом фундаментальном уровне она представляет собой набор молекул, состоящих из определенным образом связанных атомов водорода и кислорода. Но в повседневной жизни мы воспринимаем воду в качестве однородной бесцветной жидкости, кристаллического твердого вещества, а в особенно тяжелые времена – в качестве удушающего влажного тумана, который заставляет вас мечтать об одежде, сшитой из полотенец. Изучая поведение воды в этих различных состояниях, мы можем сделать выводы о том, что она на самом деле собой представляет, даже если у нас под рукой нет мощных микроскопов, позволяющих рассмотреть отдельные атомы. Например, форма снежинки может многое рассказать нам о форме молекул, если мы посмотрим, как они организуются в кристаллы. То, как вода испаряется, кое-что говорит нам о связях, которые удерживают молекулы вместе. Если бы мы имели дело с водой лишь в одном из ее агрегатных состояний, мы не смогли бы составить о ней полного впечатления. Точно так же наше представление о взаимодействиях субатомных частиц меняется в зависимости от уровня энергии или температуры во время эксперимента, варьирование которых позволяет нам лучше понять, что с ними на самом деле происходит.
 
В физике элементарных частиц нас интересует, как частицы взаимодействуют друг с другом и чем обусловлены их фундаментальные свойства, такие как масса. Характерная особенность любой частицы, обладающей массой, состоит в том, что она не может ускориться без применения силы и не способна достичь скорости света. На самых ранних этапах существования Вселенной поле Хиггса подверглось изменению, в результате которого электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие, и некоторые частицы (правда, не фотон и не глюон) получили возможность взаимодействовать с самим полем Хиггса. Интенсивность этого взаимодействия определяет массу частицы. Фотон продолжает путешествовать в пространстве со скоростью света, а частицы, обладающие массой, движутся тем медленнее, чем более сильное воздействие они испытывают со стороны поля Хиггса.
 
Сравнивать поведение частиц в условиях ранней Вселенной с их текущим поведением все равно что сравнивать собственное взаимодействие с паром и жидкой водой. Представьте, что пар – это поле Хиггса, то есть энергетическое поле, присутствующее в каждой точке пространства. А теперь представьте, что в какой-то момент поле Хиггса претерпело изменение, подобное конденсации пара в жидкую воду. Если вы привыкли иметь дело лишь с влажным воздухом, то пребывание в бассейне с водой станет для вас совершенно новым опытом. В результате внезапного изменения поля Хиггса сами законы физики как бы приобрели совершенно иную форму. Внезапно частицы, которые до этого могли беспрепятственно перемещаться в пространстве со скоростью света, замедлились под действием поля Хиггса, то есть обрели массу. Этот процесс получил название «нарушение электрослабой симметрии».
 
Пугливая симметрия
 
Симметрия – это тонкое, абстрактное понятие, чрезвычайно трудно объяснимое без уравнений, но настолько важное для физики, что я не могу просто отмахнуться от него. Симметрия имеет ключевое значение как для описания существующих, так и для разработки новых теорий природы. Если в ходе размышлений о мире вы привыкли использовать управляющие им математические уравнения, вас, вероятно, не удивит идея описания теорий в терминах симметрий, которым они подчиняются. В противном случае все это может показаться вам сущей тарабарщиной. Итак, давайте сделаем небольшой экскурс в эту тему, поскольку симметрия представляет собой нечто невероятно красивое, и как только вы узнаете о ней подробнее, вы начнете замечать ее повсюду.
 
Симметрия не сводится к зеркальному отражению чего бы то ни было. В физике огромную роль играют закономерности и то, как они позволяют нам получить более глубокое понимание некоторой основополагающей структуры. Возьмем, к примеру, периодическую таблицу элементов. Почему элементы организованы в строки и столбцы? Если вы изучали химию, вы знаете, что в столбцах сгруппированы элементы, имеющие общие свойства. Например, благородные газы, перечисленные в крайнем правом столбце, не склонны к участию в химических реакциях, тогда как находящиеся рядом с ними галогены отличаются высокой химической активностью. Эти закономерности обнаружились еще до того, как таблица была заполнена. На самом деле ее создатель Дмитрий Менделеев даже оставил пробелы для еще не открытых элементов, которые, как он знал, должны существовать, исходя из выявленных им закономерностей.
 
Закономерности в периодической таблице позволили теоретически обосновать заполнение электронных орбиталей, что привело к открытиям, имеющим отношение к фундаментальной природе субатомных частиц. Разработка теорий всегда начиналась с выявления закономерностей в результатах наблюдений, после чего ученые приступали к поиску скрытых свойств, способных объяснить наблюдаемое явление. Все мы постоянно это делаем, даже если не отдаем себе отчета. Понаблюдав за дорожным движением в течение дня, вы можете сделать выводы о стандартном рабочем графике. По выцветшим местам ковра вы можете судить о том, какие части комнаты получают больше всего солнечного света (а также о том, как Земля ориентирована относительно Солнца).
 
В случае с физикой элементарных частиц использование симметрии во многом напоминает создание периодических таблиц, но для более мелких компонентов природы. Сходство между частицами, например, в плане заряда, массы или спина, может многое рассказать нам об особенностях их формирования и связях с фундаментальными взаимодействиями. Организация частиц с учетом их сходства позволяет физикам выявлять симметрии, которые могут оказаться основополагающими для целых теорий.
 
Иногда эти закономерности легче всего представить математически. Если вы обнаружите, что в уравнении, описывающем некий физический процесс, можно поменять местами несколько переменных, не повлияв на описываемое явление, значит, вы обнаружили математическую симметрию. И это, вероятно, может кое-что рассказать вам о лежащих в основе данного явления частицах или полях.
 
Основанный на симметрии способ рассмотрения частиц и их взаимодействий получил такое распространение в физике, что мы часто используем обозначения математических симметрий в качестве названий самих теорий. Например, электромагнетизм часто называют и(1) – теорией, поскольку некоторые из его математических аспектов имеют тот же тип симметрии, что и окружность (сокращением «U(1)» обозначается математическая группа поворотов окружности).
 
Нарушение симметрии – это событие, в результате которого условия внезапно изменяются таким образом, что теория, описывающая взаимодействия частиц, приобретает другую, менее симметричную структуру. После этого уже нельзя будет делать перестановки в уравнениях, а нарушение симметрии отразится и в физическом мире в виде изменения поведения частиц.
 
Некоторые используемые физиками симметрии являются абстрактными и могут быть выражены лишь математически, однако среди них есть и вполне привычные. О вращательной симметрии речь идет тогда, когда нечто выглядит одинаково при повороте на некоторый угол (например, окружность или пятиконечная звезда). Трансляционная симметрия означает, что нечто выглядит одинаково при сдвиге в сторону (например, длинный забор, сдвинутый на расстояние одной планки, или длинная прямая линия, смещенная на несколько сантиметров). Нарушение симметрии предполагает такое изменение ситуации, в результате которого симметрия перестает работать. Бокал обладает идеальной симметрией вращения до тех пор, пока где-то на его кромке не появится след от губной помады. Забор обладает трансляционной симметрией до тех пор, пока не сломается одна из его планок. Даже на званом обеде может произойти нарушение симметрии, особенно после подачи спиртных напитков. В начале банкета, пока вы терпеливо ждете в окружении множества столовых приборов и небольших тарелок с хлебом, вы находитесь в ситуации, которой свойственна вращательная симметрия. Как только кто-то из ваших соседей потянется за куском хлеба, симметрия нарушится, и все остальные смогут последовать его примеру. Если бы два человека одновременно потянулись к тарелкам с хлебом, находящимся на противоположной от них стороне стола, физики назвали бы такую ситуацию топологическим дефектом.

В данном конкретном случае речь идет о доменной стенке, которая, если начнет доминировать во Вселенной, может привести к Большому сжатию. Вот почему я всегда жду, пока другие возьмут хлеб, прежде чем потянуться к тарелке.
 
С какой бы симметрией мы как физики ни работали, она будет отражена в описывающих взаимодействия уравнениях. Существуют способы кодирования вращательной, зеркальной и трансляционной симметрии, гарантирующие, что физика останется неизменной, как бы вы ни вращали, ни отражали и ни перемещали изучаемую систему. В уравнениях также могут быть закодированы и более тонкие виды симметрий, лучше всего описываемые с помощью теории групп и абстрактной алгебры; это удивительные разделы математики, обсуждение которых, к сожалению, выходит далеко за рамки данной работы.
 
Нарушение электрослабой симметрии, которое произошло спустя 0,1 наносекунды после возникновения Вселенной, представляло собой своеобразную перестройку структуры физики на фундаментальном уровне. После этого правила взаимодействия частиц радикально изменились. Парообразное поле Хиггса превратилось в океан.
 
Однако водная аналогия не идеальна. Двигаясь сквозь толщу воды, вы замедляетесь, и если перестанете прикладывать усилия, то совсем остановитесь. Что касается массивных частиц, то их скорость не снижается по мере взаимодействия с полем Хиггса. В вакууме любой объект стремится продолжать делать то, что он делает. Массивные частицы, как правило, путешествуют по Вселенной на очень высоких (хотя и досветовых) скоростях. Основное различие между массивными и безмассовыми частицами заключается в том, что массивным частицам, движущимся в вакууме, для ускорения требуется толчок, тогда как безмассовые частицы перемещаются со скоростью света без всяких усилий. На самом деле, безмассовые частицы просто не могут двигаться медленнее скорости света.
 
Поэтому нам следует сказать спасибо, что поле Хиггса нарушило электрослабую симметрию, в противном случае мы не имели бы возможности просто спокойно посидеть. Поле Хиггса не только позволило частицам обрести массу, но и определило некоторые из фундаментальных физических констант, в том числе заряд электрона и значения масс частиц. То физическое состояние, в котором мы существуем, называется «вакуумом Хиггса» или «вакуумным состоянием». Если бы поле Хиггса имело какое-то другое значение или симметрия нарушилась как-то иначе, мы, вероятно, вообще не могли бы существовать. Мы находимся во Вселенной, где массы и заряды частиц идеально подходят для того, чтобы частицы объединялись в молекулы, формировали сложные структуры и обеспечивали химические процессы, поддерживающие жизнь. Если бы поле Хиггса имело другое значение, такое деликатное равновесие, вероятно, не было бы достигнуто, что сделало бы невозможным формирование этих связей. Своим материальным существованием мы обязаны тому факту, что поле Хиггса остановилось на нужном значении. И тут возникают некоторые риски.
 
Эксперименты, проводимые на ускорителе БАК с целью воссоздания экстремальных условий ранней Вселенной, помогают нам не только лучше изучить существующие законы физики, но и понять, какими они могли бы быть при других обстоятельствах. В 2012 году, когда физикам наконец удалось создать бозон Хиггса в результате столкновения частиц, измерение его массы позволило получить недостающий фрагмент для завершения Стандартной модели физики элементарных частиц. Благодаря этому мы узнали не только о текущем значении поля Хиггса, но и обо всех возможных значениях, которые оно могло бы принять, появись у него такая возможность.
 
Хорошая новость: измеренная масса бозона Хиггса полностью соответствует хорошо обоснованной и математически последовательной формулировке Стандартной модели, которая до сих пор с блеском выдерживала все экспериментальные испытания.
 
Плохая новость: последовательная Стандартная модель также говорит нам о том, что наш вакуум Хиггса – идеально сбалансированный набор законов, управляющих физическим миром, – нестабилен.
 
В таком случае дни нашего прекрасного космоса, судя по всему, сочтены.
 
Шаткое положение космоса
 
Идея о том, что наш вакуум может оказаться нестабильным, не нова. Уже в 1960-х и 1970-х годах физики писали статьи о возможном и катастрофическом для Вселенной процессе распада, способном уничтожить жизнь какой мы ее знаем, и любую возможность существования организованной материи. В то время распад вакуума был просто идеей, с которой можно забавляться в уравнениях, не имея никаких подтверждающих ее экспериментальных данных.
Сейчас все иначе.
 
Чтобы разобраться с распадом вакуума, сначала нужно познакомиться с концепцией потенциала, математической конструкцией, описывающей то, как может измениться значение поля и где оно «предпочитает» находиться. Поле Хиггса можно представить в виде камешка, катящегося по склону долины. Форма этого склона и есть потенциал. Подобно тому, как камешек стремится оказаться на дне долины, поле Хиггса будет искать состояние с самой низкой энергией, соответствующее наименьшему значению потенциала, и остановится на нем, если ему ничто не помешает. Потенциал можно изобразить в виде U-образной кривой, нижняя часть которой соответствует этой самой долине. Нарушение электрослабой симметрии привело к возникновению потенциала, управляющего полем Хиггса, и, как мы думаем, это поле благополучно обосновалось на дне долины.
 
Проблема в том, что истинное дно может находиться в гораздо более низкой части потенциала и соответствовать другому вакуумному состоянию. Представьте себе наклоненную округлую W-образную кривую, одна из долин которой расположена ниже той, в которой в настоящее время находится поле Хиггса. Если потенциал Хиггса имеет второй, более низкий минимум, то это превращает его из хорошей математической конструкции в экзистенциальную угрозу для всего космоса.
 
В каком бы месте своего потенциала в данный момент ни находилось поле Хиггса, оно дает нам вполне приемлемую, удобную Вселенную. У нас есть физические константы, которые позволяют частицам организовываться в твердые жизнеспособные структуры. Если его потенциал имеет еще один, более низкий минимум, все сущее находится под угрозой.
 
Потенциал поля Хиггса с состоянием ложного вакуума

Потенциал поля Хиггса с состоянием ложного вакуума. Каждый минимум потенциала соответствует возможному состоянию вселенной. Наше поле Хиггса находится в более высоком минимуме (ложный вакуум), оно может перейти в другое состояние (истинный вакуум) в результате высокоэнергитического события (отмеченного на диаграмме словом "флуктуации") или путем квантового туннелирования. Если наша Вселенная находится в ложном вакууме, переход поля Хиггса в состояние истинного вакуума будет настоящей катастрофой.

В такой ситуации вакуум Хиггса можно назвать лишь метастабильным. То есть он стабилен только до определенного момента. Поле застряло в минимуме потенциала, который на самом деле больше напоминает не дно долины, а небольшое углубление в ее склоне. Поле может оставаться там в течение длительного времени – достаточного для возникновения галактик, рождения звезд, эволюции жизни, а также для производства бесчисленного количества никому не нужных фильмов о супергероях, однако существует вероятность, что достаточно сильное возмущение способно перебросить его через край, после чего ему уже ничто не помешает найти истинный минимум потенциала. И такое развитие событий было бы апокалиптически плохим по причинам, которые мы обсудим далее во всех кровавых подробностях.
 
К сожалению, лучшие из имеющихся у нас данных, полностью соответствующих Стандартной модели физики элементарных частиц, позволяют предположить, что наше поле Хиггса в настоящее время находится именно в таком углублении. Это метастабильное состояние также называется «ложным вакуумом» в отличие от «истинного» вакуума, который соответствует самому нижнему минимуму потенциала.
 
Что плохого в том, чтобы находиться в ложном вакууме? Вполне возможно, что все. Ложный вакуум в лучшем случае представляет собой лишь временную отсрочку для окончательного разрушения. В ложном вакууме законы физики, в том числе сама возможность существования частиц, зависят от деликатного баланса, который в любой момент может быть нарушен.
 
Это событие называется распадом вакуума. Оно происходит быстро, чисто, безболезненно и способно уничтожить абсолютно все.
 
Квантовый пузырь смерти
 
Для того чтобы распад вакуума произошел, его должно что-то спровоцировать, то есть заставить поле Хиггса отправиться на поиски предпочтительного для него минимума потенциала, соответствующего «истинному» вакууму. Таким триггером может послужить сверхмощный взрыв, катастрофическое испарение черной дыры или злосчастное квантовое туннелирование (о котором мы поговорим подробнее чуть позже). Если в любой точке космоса произойдет что-то подобное, будет запущен целый каскад апокалиптических событий, которому ничто во Вселенной не сможет противостоять.
 
Все начнется с возникновения пузыря.
 
На месте события-триггера образуется крошечный пузырь истинного вакуума. Он будет заключать в себе совершенно иной вид пространства, в котором физические процессы подчиняются другим законам, а частицы обладают иными свойствами. В момент формирования этот пузырь представляет собой бесконечно малое пятнышко. Однако он окружен чрезвычайно высокоэнергетической стенкой, способной сжечь все, с чем соприкоснется.
 
Затем пузырь начнет расширяться.
 
Поскольку истинный вакуум является более стабильным состоянием, Вселенная его «предпочитает» и переходит в него при первой же возможности, подобно тому, как камешек скатывается по склону, оказавшись на его вершине. Как только возникнет этот пузырь, поле Хиггса вокруг него внезапно опустится в истинный минимум. Исходное событие как бы выводит из шаткого равновесия все камешки, расположенные в непосредственной близости, что вызывает сход лавины. Все большая часть пространства начнет переходить в состояние истинного вакуума. Все, чему не повезет оказаться на пути расширения пузыря, сначала столкнется с его высокоэнергетической стенкой, движущейся почти со скоростью света, а затем подвергнется процессу, который можно назвать «тотальной диссоциацией», поскольку силы, которые ранее удерживали частицы вместе в атомах и ядрах, перестанут функционировать.
 
То, что вы не увидите приближения этой стенки, вероятно, к лучшему.
 
Каким бы драматичным ни выглядело вышеприведенное описание, если вы окажетесь на пути расширения пузыря, вы этого не заметите. То, что движется на вас со скоростью света, для вас невидимо, – любой намек, предупреждающий о приближении пузыря, достигнет вас одновременно с ним. Вы никак не сможете узнать о том, что на вас что-то надвигается, или просто заметить малейший признак опасности. Если пузырь приблизится к вам снизу, то в течение пары наносекунд с момента исчезновения ваших ног вы все еще будете их видеть. К счастью, этот процесс совершенно безболезненный: ни на каком этапе ваши нервные импульсы не смогут угнаться за процессом вашего распада. Хотя бы этому можно порадоваться.
 
Разумеется, вами пузырь не ограничится. Любую планету или звезду, оказавшуюся в пределах его постоянно расширяющегося радиуса, постигнет та же участь. Целые галактики будут уничтожены. Истинный вакуум полностью обнулит всю Вселенную. Уцелеют лишь те области, которые в силу своей удаленности навсегда останутся за горизонтом пузыря благодаря ускоренному расширению космического пространства.
 
Пузырь истинного вакуума.
 
Пузырь истинного вакуума. Если распад вакуума произойдет в каком-то месте космоса, это событие породит пузырь, расширяющийся во все стороны со скоростью света и уничтожающий всё на своем пути.
 
На самом деле вполне возможно, что пока мы тут сидим и спокойно пьем чай, распад вакуума где-то уже происходит. Может быть, нам повезло, и пузырь находится за пределами нашего космического горизонта, поглощая галактики, о которых мы ничего не знаем. А может быть, он произошел по космическим меркам прямо по соседству, и уже тихо подкрадывается, чтобы застать нас врасплох.
 
Нарываясь на неприятности
 
Однако переживать по поводу возможного распада вакуума не стоит. В самом деле. По нескольким причинам. Среди них есть и очевидные: вы не сможете остановить этот процесс, если он начнется; вы не сумеете предсказать его начало; судя по всему, вам не будет больно; кроме того, скучать по вам в любом случае будет некому, так что какой смысл беспокоиться? Лучше проверьте батарейки в пожарной сигнализации, добейтесь закрытия угольных электростанций или что-нибудь в этом роде. Но если по какой-то причине эти доводы не кажутся вам достаточно обнадеживающими, я могу с достаточной степенью уверенности заявить, что распад вакуума вряд ли произойдет в течение следующих триллионов лет.
 
Теоретически он может быть вызван несколькими причинами. Самой очевидной является некое высокоэнергетическое событие, которое можно представить в виде землетрясения, выбивающего камешек из углубления в склоне и позволяющего ему отправиться на дно долины.
 
К счастью, «землетрясение» такой невообразимой силы маловероятно. По нашим оценкам, это событие должно быть гораздо более высокоэнергетическим, чем самые разрушительные из наблюдаемых нами космических взрывов, и безусловно на много порядков превосходить все то, что мы способны устроить с помощью таких созданных человеком машин, как Большой адронный коллайдер. Если у нас когда-либо опять возникнут подобные опасения, мы всегда можем вновь сослаться на тот факт, что столкновения частиц в космосе достигают и всегда достигали гораздо более высоких уровней энергий, чем те, которые способен обеспечить БАК или любая другая машина. Раз уж мы пережили их последствия, значит, наши современные ускорители частиц точно не представляют никакой опасности.
 
Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. Если вернуться к аналогии с камешком, застрявшим в углублении склона долины, то потенциальный барьер – это выступающая кочка, придающая этому углублению форму кармана. Согласно нашему лучшему предположению относительно формы потенциала поля Хиггса, этот карман довольно глубок и отделен от минимума, соответствующего истинному вакууму, высоким горным хребтом. Количество энергии, которое потребовалось бы для того, чтобы перебросить камешек через хребет (или заставить поле Хиггса преодолеть его потенциальный барьер), настолько велико, что об этом не стоит беспокоиться.
 
Вот только… мы живем во Вселенной, которая не подчиняется подобным правилам. В основе нашего космоса лежит квантовая механика, а она говорит о том, что если вы существуете в субатомном масштабе, путь, по которому вы добираетесь из одного места в другое, изредка может быть проложен прямо сквозь твердые объекты. Если вы стоите перед стеной, то вместо того, чтобы перепрыгивать через нее, вы можете просто пройти насквозь. Особенно если вы являетесь полем Хиггса.
 
Туннелирование в бездну
 
Идея квантового туннелирования может показаться научно-фантастической или сугубо теоретической концепцией, с которой забавляются физики, записывая непонятные уравнения. Квантовая механика действительно говорит о том, что мы никогда не можем точно определить, где находится частица или по какой траектории она движется. Поэтому для того, чтобы математика сработала, нужно выполнить вычисления для всех траекторий, включая самые странные, предполагающие, что частица перемещается из одной части лаборатории в другую через кофейню, находящуюся в другом городе. Однако это не значит, что частица действительно так делает, верно?
 
Оказалось, что на вопрос о том, как на самом деле ведет себя частица, ответить очень трудно. Именно поэтому ученые на протяжении многих десятилетий спорили по поводу интерпретаций квантовой механики. То, как частица путешествует между точками А и Б, по-прежнему остается в некотором смысле загадкой, как и то, почему, будучи небольшим локализованным объектом, частица подчиняется математике, описывающей распространяющиеся в пространстве волны.
 
Тем не менее данные, с которыми согласны все, очень ясно дают понять, что туннелирование сквозь, казалось бы, непроходимые барьеры случается регулярно. Если уж частица оказалась зажатой в каком-то промежутке, стена ее не остановит. Подобное мастерство побега настолько характерно для частиц, что люди, разрабатывающие такие устройства как сотовые телефоны и микропроцессоры, вынуждены учитывать вероятность, что какой-нибудь электрон может внезапно материализоваться на другой стороне чипа. Это свойство даже применяется в некоторых технологиях, включая флеш-память. А сканирующие туннельные микроскопы используют так называемый туннельный ток для получения изображений отдельных атомов исследуемой поверхности.
 
Свойство электронов перепрыгивать через короткие промежутки или протискиваться сквозь изоляционные барьеры может показаться хорошим трюком, однако все становится гораздо более зловещим, когда вы понимаете, что на квантовое туннелирование способны не только частицы, но и поля. Например, поле Хиггса, отделенное от состояния истинного вакуума потенциальным барьером, может туннелировать прямо в него. Как только вы это осознаете, единственная граница, отделяющая нашу гостеприимную Вселенную от тотальной космической катастрофы, покажется вам гораздо менее солидной.
 
Хорошая (в некотором роде) новость заключается в том, что даже такое странное событие, как квантовое туннелирование, следует определенным правилам, по крайней мере, когда речь идет об ожидаемой частоте его наступления.
 
Вероятность туннелирования зависит от физических характеристик системы, а это означает, что вероятность наступления такого события в течение заданного периода времени можно достаточно точно определить. Разумеется, на это способен далеко не каждый. Но какой бы сложной ни была квантовая механика для понимания или интерпретации, она, по крайней мере, позволяет производить расчеты.
 
Однако эти расчеты не дают нам ничего более определенного, чем оценка вероятности. Мы не можем с уверенностью заявить, что поле Хиггса не туннелирует из ложного вакуума в истинный и не создаст квантовый пузырь смерти прямо рядом с вами в течение следующих 30 секунд, запустив процесс всеобщего уничтожения. Мы можем сказать лишь то, что такой сценарий крайне маловероятен. (Во всяком случае, в части «следующих 30 секунд». Если наш вакуум действительно является метастабильным, то, строго говоря, этот пузырь однажды должен возникнуть.)
 
Согласно лучшим из имеющихся оценок, наш уютный вакуум вряд ли подвергнется радикальному изменению в ближайшее время, – на данный момент этот период оценивался в 10100 лет. К тому времени мы, вероятно, будем находиться в процессе тепловой смерти, а если нам совсем не повезет, – переживать Большой разрыв. В последнем случае мгновенное безболезненное уничтожение может показаться не таким уж плохим вариантом.
 
Итак, технически я не могу утверждать, что распад вакуума не может произойти в любой момент. Я также не могу сказать наверняка, что это уже не случилось где-то в Солнечной системе, в другой части Млечного Пути или в другой галактике и не породило расширяющийся со скоростью света пузырь, тихо приближающийся к нам прямо сейчас. Однако если паранойя все-таки не дает вам покоя, я могу заверить вас в том, что у вас гораздо больше шансов быть пораженным молнией, попасть под машину, сгинуть под копытами разбушевавшегося быка или получить по голове метеоритом, чем столкнуться с пузырем истинного вакуума. Но есть еще одно обстоятельство.
 
Мы уже сказали, что не можем вызвать распад вакуума, сталкивая частицы высокой энергии, а спонтанное туннелирование настолько маловероятно, что нам, пожалуй, стоит просто забыть о нем. Однако недавно физики описали еще один вариант уничтожения Вселенной вследствие распада вакуума и, надо сказать, довольно интересный.

Маленькая, но смертоносная
 
В 2014 году Рут Грегори, Ян Мосс и Бенджамин Уизерс, опираясь на предыдущие работы в этой области, опубликовали статью, которая привлекла мое внимание. В ней говорилось о том, что хотя спонтанный распад вакуума происходит очень медленно, присутствие черной дыры может значительно ускорить этот процесс и сделать его более интересным. Они утверждали, что настоящую опасность представляет маленькая черная дыра, поскольку черные дыры размером с частицу способны значительно повысить вероятность распада вакуума прямо над ними. Может быть, нам и не придется ждать 10100 лет.
 
В данном случае процесс напоминает конденсацию воды на пылинке в комнате с влажным воздухом или формирование облаков в верхних слоях атмосферы. Пылинка представляет собой место зарождения – особую точку, в которой этот процесс происходит легче, чем в других. Молекулам воды будет проще соединиться друг с другом, если сначала они прикрепятся к чему-то еще. Таким образом, наличие примеси может запустить цепную реакцию там, где в противном случае ситуация могла бы оставаться прежней. Оказывается, крошечные черные дыры могут выступать в качестве места зарождения пузырей истинного вакуума, но только в том случае, если они действительно очень маленькие.
 
К счастью для Вселенной, наше текущее понимание гравитационной физики говорит о том, что формирование таких черных дыр крайне маловероятно. Согласно нашим оценкам, черные дыры могут образоваться лишь при наличии массы, превышающей солнечную, в результате коллапса массивной звезды в конце ее жизненного цикла. Такие черные дыры могут увеличить свою массу путем поглощения вещества или слияния друг с другом, однако сокращение размера – это совсем другое дело. Они могут терять массу лишь за счет испарения Хокинга, а это занимает очень много времени. Черная дыра, масса которой равна солнечной, имеет ожидаемое время жизни около 1064 лет. В какой-то момент ближе к концу этого периода черная дыра может стать достаточно маленькой для того, чтобы спровоцировать распад вакуума, однако нам еще очень долго не придется беспокоиться по этому поводу. Также было высказано предположение, что в ранней Вселенной крошечные черные дыры могли образовываться под влиянием чрезвычайно высокой плотности, характерной для стадии Горячего Большого взрыва, но пока у нас нет никаких свидетельств в пользу этой гипотезы. Однако если бы маленькие черные дыры действительно возникали и были способны дестабилизировать вакуум, нас бы здесь не было. Таким образом, если мы принимаем во внимание этот довод и допускаем вероятность распада вакуума, то мы должны признать ошибочной любую теорию, предполагающую формирование крошечных черных дыр в ранней Вселенной, просто на основании факта нашего существования.
 
Некоторые ученые просто ради интереса размышляют о возможных способах создания таких маленьких черных дыр. Идея эта не нова. Помимо того, что они «ужасно милые» в теоретическом смысле, эти миниатюрные монстры могут многое рассказать нам о действии гравитации, об их возможном испарении и даже о существовании дополнительных невидимых нам измерений пространства.
 
На протяжении многих лет физики изучали данные с ускорителей частиц, надеясь обнаружить признак того, что в результате одного из столкновений протонов в небольшом пространстве образовалось достаточно энергии для возникновения микроскопической черной дыры. Такая черная дыра, если и образуется, должна быть безвредной по традиционным представлениям, не учитывающим возможность распада вакуума. Согласно теории, она должна немедленно испариться под действием излучения Хокинга, и даже если этого не произойдет, она, скорее всего, унесется от нас с релятивистской скоростью, поскольку нацеливание нельзя выполнить настолько точно, чтобы после столкновения частицы полностью остановились. Кроме того, чтобы столкновения в коллайдерах могли породить крошечные черные дыры, гравитация, действующая на субатомные частицы, должна оказаться сильнее, чем предполагают эйнштейновские законы гравитации. И, насколько нам известно, такое может случиться лишь при наличии дополнительных измерений пространства. Достаточно лишь сказать, что существование более трех пространственных измерений может усилить гравитацию в очень малых масштабах, сделав возможным формирование маленьких черных дыр в результате столкновений в ускорителе БАК.
 
Таким образом, если нам удастся создать черную дыру с помощью БАК, мы получим доказательство того, что пространство имеет больше измерений, чем мы думали. Для ученого, стремящегося открыть новые захватывающие области физики, подобные новости кажутся фантастическими! Но, разумеется, было бы очень жаль, если бы крошечные черные дыры, которые мы пытаемся создать в ускорителе, могли вызвать распад вакуума и гибель Вселенной.
 
К счастью, они на такое не способны. Мы уверены в этом настолько, насколько это вообще возможно для физиков. Во-первых, как мы уже говорили, энергия столкновения космических лучей намного превосходит все то, что мы наблюдаем в своих ускорителях частиц. Если даже мы можем сталкивать протоны для создания черных дыр, то Вселенная делала это бесчисленное количество раз, и, как видите, мы все еще здесь! Так что либо черные дыры нигде не возникают, либо они совершенно безвредны.
 
Другая причина заключается в вероятном существовании порога значения массы, который должны преодолеть эти крошечные черные дыры, прежде чем они начнут представлять опасность хотя бы гипотетически. Масса черных дыр, созданных коллайдером, была бы гораздо ниже этого уровня. И скорее всего, то же самое можно сказать о результатах большинства столкновений, происходящих в космосе. Чтобы доказать ограниченность размеров гипотетических дополнительных пространственных измерений, некоторые из нас уже приводили этот довод и указывали на то, что мы все еще живы. (Как космологу, заинтересованному в тестировании различных физических теорий, мне нравится приводить в качестве одного из доводов отсутствие признаков космического апокалипсиса.)
 
Итак, если отвлечься от маленьких черных дыр, что можно сказать о распаде вакуума? Все остальные варианты гибели Вселенной, рассмотренные ранее, по крайней мере, предполагают такую отдаленность во времени, что все опасения по их поводу можно смело оставить постчеловеческим сущностям, которые будут населять космос после нас. Особенность распада вакуума заключается в том, что он может произойти в любой момент, даже если вероятность этого чрезвычайно мала. Кроме того, он предполагает тотальное разрушение Вселенной.
 
В 1980 году два теоретика, Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа, рассчитали, что пузырь истинного вакуума будет содержать не только элементарные частицы с совершенно иными (и смертоносными) свойствами, но и пространство, которое по своей природе гравитационно нестабильно. По их словам, после образования пузыря все его содержимое коллапсирует в течение нескольких микросекунд. Вот что они написали:
 
Это удручает. Вероятность того, что мы существуем в ложном вакууме, никогда не была особенно обнадеживающей. Распад вакуума представляет собой окончательную экологическую катастрофу; в новом вакууме будут действовать другие физические константы; после распада вакуума невозможной станет не только жизнь, какой мы ее знаем, но и привычная нам химия. Тем не менее всегда можно было утешиться мыслью о том, что со временем в новом вакууме может возникнуть если и не жизнь, какой мы ее знаем, то, по крайней мере, некие структуры, способные радоваться своему существованию. Теперь и эта возможность исключена.
 
Радость неведения
 
Распад вакуума – это относительно новая идея, которая опирается на множество экстремальных видов физики, так что за следующие несколько лет наш взгляд на нее, скорее всего, резко изменится. Возможно, благодаря более подробным и строгим вычислениям мы получим другие результаты. Все эти вопросы очень сложны, и до достижения консенсуса нам еще далеко.
 
Если мы признаем, что наш вакуум действительно является метастабильным, этот вывод может оказаться несовместимым с теорией космической инфляции. По нашим оценкам, квантовых флуктуаций на стадии инфляции и высокой температуры после нее должно было оказаться достаточно, чтобы спровоцировать распад вакуума в первые моменты существования космоса, что свело бы на нет наши шансы на существование. Очевидно, такого не произошло. Это говорит о том, что либо мы не понимаем устройство ранней Вселенной, либо распад вакуума в прошлом был невозможен.
 
Как бы вы ни относились к теориям о ранней Вселенной, серьезное рассмотрение возможности распада вакуума зависит от того, насколько вы доверяете Стандартной модели физики элементарных частиц, которая, как мы знаем, не является исчерпывающей. Темная материя, темная энергия и несовместимость квантовой механики и общей теории относительности указывают на то, что во Вселенной есть еще что-то, чего мы не знаем. То, что придет на смену Стандартной модели, вполне может избавить нас от необходимости переживать по поводу квантового пузыря смерти.
 
А может быть и так, что дальнейшие разработки в области фундаментальной физики расскажут нам о совершенно новых вариантах гибели Вселенной. Возможность существования дополнительных пространственных измерений, которые не дают покоя физикам, надеющимся создать миниатюрные черные дыры с помощью ускорителей частиц, обогащает Вселенную новыми неизведанными областями. Подобно исследователю, достигшему края карты, мы протягиваем руку, не зная, что нам предстоит найти. Дополнительные пространственные измерения могут помочь нам разрешить некоторые проблемы в теориях гравитации, однако на полях постоянно расширяющейся космической карты мы наверняка обнаружим предупреждение: «здесь водятся монстры».
 
Источник: Кэти Мак. "Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики"

«Теология - это попытка человека объяснить то, чего не понимает он сам. Задача при этом - не сказать правду, а дать удовлетворительный ответ»

Хаббард Элберт Грин

Файлы

Как работает мозг?

Предвидение науки и пророчества религии

Глаз разума

История и теория атеизма