Суть катастрофы и заключается в распаде ложного вакуума, который, считают эксперты, начнет приближаться к состоянию истинного под воздействием сторонних сил.
Сеть взорвало ВИДЕО смерти Вселенной под влиянием распада вакуума
| Ученые проливают свет на «ложный вакуумный распад» • AB-NEWS | • Распад ложного вакуума может произойти из-за квантового туннелирования или катастрофического события. |
| Ученые предрекли гибель Вселенной и в доказательство представили видеоролик - МК | 3. Vacuum Catastrophe (распад ложного вакуума). Вполне возможно, что наш вакуум — ложный, то есть наша пустота не является низшим состоянием вакуума (в энергетическом смысле). |
| Физики показали на видео разрушение Вселенной из-за распада вакуума | При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. |
Распад ложного вакуума
Потенциал типа «ямка» слева и типа «мексиканская шляпа» справа Более того, по современным представлениям на больших энергиях потенциал поля Хиггса снова загибается вниз, чтобы образовать вторую ямку, расположенную ниже той ямки, в которой мы живем. Хотя обе ямки разделяет высокий потенциальный барьер, поле может протуннелировать через него и свалиться в более выгодное состояние. Это значит, что рано или поздно ложный вакуум Стандартной модели прекратит свое существование и перейдет в истинный вакуум, а энергию колебаний поля придется отсчитывать от абсолютного минимума, а не от локального. Процесс такого перехода называют распадом ложного вакуума. В результате распада ложного вакуума огромная энергия, запасенная полем, высвободится — в конечном счете, это выразится в образовании большого числа частиц и приведет к повторному разогреванию Вселенной. Тем не менее, процесс распада ложного вакуума довольно сложен. Так, поле не может перейти из ложного вакуума в истинный одновременно во всем объеме Вселенной, поскольку вероятность такого перехода слишком мала. Гораздо более вероятен другой сценарий, в ходе которого поле случайно туннелирует из ложного вакуума в истинный только в некотором ограниченном объеме, а затем образовавшийся пузырек бесконечно расширяется или схлопывается обратно. Чтобы рассчитать скорость распада по такому сценарию, необходимо найти конфигурацию поля, которая решает классические уравнения движения и описывает плавный переход между истинным вакуумом внутри пузырька и ложным вакуумом снаружи. Такая конфигурация называется инстантоном. Поскольку уравнения движения выводятся исходя из принципа наименьшего действия , на инстантонах действие поля принимает наименьшее значение.
Таким будущим человечество не раз пугали ученые, в частности философ Ник Бостром, автор работы «Живете ли вы в компьютерной симуляции? Насколько опасен истинный вакуум для жизни на Земле — в материале «Ленты. Вакуум в квантовой теории поля отвечает состоянию системы с минимально возможной энергией. Все физические процессы в таком мире происходят с энергиями, превышающими это принимаемое за нулевое значение.
Между тем не исключено, что Вселенная или ее наблюдаемая часть находится в метастабильном, или ложном, вакууме. Это означает, что существует еще более выгодное энергетическое положение, в которое может эволюционировать Вселенная — истинный вакуум.
Исследование показало, что атомные сверхтекучие жидкости предоставляют идеальную платформу для экспериментального подтверждения этого явления. Ученые наблюдали зарождение пузырьков в этих сверхтекучих средах, а численное моделирование подтвердило их наблюдения. Этот прорыв не только подтверждает теоретические предположения, основанные на теории инстантонов, но также открывает новые перспективы для исследования неравновесных квантовых полей.
В этом случае материя Вселенной будет разрушена, однако, по оценкам ученых, это займет слишком много времени, чтобы угрожать существованию человеческой цивилизации.
Распад ложного вакуума
Переход между ложным вакуумом и истинным затруднен из-за высокого энергетического барьера, однако может происходить квантовомеханическое туннелирование из одного состояния в другое. Если это ложный вакуум, то его самопроизвольный распад произойдет намного позже естественной смерти Солнца. С такого пузыря начинается квантовый распад ложного вакуума в теориях с неравноправными вакуумами. изучить квазиклассический метод вычисления вероятности распада ложного вакуума с помощью отскокового решения. Распад ложного вакуума играет в этой теории роль Большого взрыва. Ученые считают, что Вселенная может быть разрушена с помощью распада ложного вакуума, который находится в космическом пространстве.
Распад нестабильного вакуума
Проведя серию экспериментов, исследователи наблюдали образование небольших пузырьков истинного вакуума в квантовой системе, состоящей из переохлажденного газа из натрия-23. Эта среда обладает свойствами сверхтекучей жидкости и была охлаждена до температуры менее одного микрокельвина. Результаты эксперимента соответствовали математическим моделям и подтвердили квантово-механическую природу распада ложного вакуума. Ученые отмечают, что атомные сверхтекучие жидкости являются идеальной средой для изучения неравновесных квантовых полей.
Например, пусть у нас есть двойная потенциальная яма, в которой один минимум чуть глубже другого рис. Классическая механика говорит, что если частицу положить на дно менее глубокой ямы, то она так навсегда и останется там лежать. Квантовая же механика предсказывает, что частица не будет там находиться вечно: спустя некоторое время ее можно уже будет найти в более глубоком минимуме. Она протуннелировала несмотря на то, что ее энергии недостаточно для спокойного перемещения поверх потенциального барьера, разделяющего два минимума. Частица в потенциале с двумя разными минимумами. В классической механике частица может вечно покоиться в менее глубоком минимуме слева ; в квантовой механике через какое-то время произойдет туннелирование частицы в более глубокий минимум справа Оказывается, нечто аналогичное может происходить и с вакуумом.
В квантовой теории поля вакуум — это состояние поля с наинизшей относительно умеренно больших отклонений энергией. Для обычных частиц или полей вакуумное состояние — это просто отсутствие каких-либо частиц. Хиггсовское поле особенное, у него энергетически наивыгодное состояние может быть вовсе не пустое. Вселенная в результате этого оказывается заполнена однородным хиггсовским полем. Подробнее см. Простейший вариант такой ситуации — это «хиггсовское» поле h r с такой плотностью потенциальной энергии его еще называют «потенциал» : Здесь r — это трехмерная пространственная координата, v — некоторая величина размерности энергии для настоящего хиггсовского поля она примерно равна 246 ГэВ.
Минимальной энергия будет тогда, когда во всём пространстве поле h r будет равно константе: v или —v. Любое изменяющееся в пространстве поле обязательно приведет в целом к большей энергии. Высота потенциального барьера, разделяющего два минимума, равна Рис. В некоторых хиггсовских механизмах может возникнуть ситуация с двумя неравноправными вакуумами. Но оказывается, в неминимальных вариантах хиггсовского механизма возможна ситуация, напоминающая рис. В них потенциал чуть-чуть перекошен «в пользу» одного из минимумов рис.
Теперь самый важный момент. Два «вакуума» теперь разные. Тот, который поглубже, — истинный вакуум — отвечает минимальной плотности энергии, и он вечен.
Представьте мяч, который катится с холма, — все другие поля «скатились» к подножию, но поле Хиггса могло застрять в маленькой впадине посреди него, из-за чего не достигло подножия.
Если низшая возможная энергия, доступная полю, называется вакуумным состоянием, то эту впадину можно считать ложным вакуумом: он выглядит стабильным, но в нем на самом деле больше энергии, чем там, где поле Хиггса «хочет» быть. Чтобы понять, из-за чего поле Хиггса могло застрять, нужна немалая помощь математики, но в рамках этой статьи нам важно знать: физики считают, что полю Хиггса еще, возможно, есть где развернуться, прежде чем достичь вакуумного состояния. Проблема в том, что Вселенная зависит от свойств поля Хиггса в его нынешнем состоянии. Что же может вытолкнуть его из этой впадины?
Скорее всего, для этого потребовался бы невероятный объем энергии. Но это также может произойти из-за странного квантового феномена, известного как квантовое туннелирование. Так как квантовые частицы ведут себя волнообразно, есть вероятность, что они могут пройти сквозь препятствие, а не обойти его. Это можно представить как прохождение сквозь впадину, которая удерживает поле Хиггса на его месте.
Космологический горизонт в представлении художника. При нарушении тонкого баланса между квантовыми частицами поле Хиггса вырвалось бы из ложного вакуума, порождая по всей Вселенной эффект домино под названием распад вакуума. Именно в этом случае пузырь распада вакуума распространился бы по всей Вселенной на скорости света. При его прохождении через пространство, все — материя, взаимодействия Вселенной — перестало бы работать и существовать в привычном для нас виде.
А что произойдет после этого, невозможно даже вообразить.
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.
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.
Ученые рассказали о смерти Вселенной из-за распада вакуума
Фото из открытых источников Англо-итальянская команда учёных достигла значительного прогресса в изучении явления распада ложного вакуума. То есть теоретическая возможность распада ложного вакуума в истинный есть, но реально это займет астрономическое время. На канале Kurzgesagt ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума. Подробнее про распад ложного вакуума можно прочитать в материале "Из пустого в порожнее", а также в новостях "Излучение Хокинга спасло Вселенную от распада ложного вакуума" и "Физик уточнил скорость распада ложного вакуума". Если все пути распада ведут к очень массивным частицам, энергетический барьер такого распада может привести к образованию стабильного пузыря ложного вакуума (также известного как шар Ферми), окружающего частицу ложного вакуума.
Впервые получены доказательства распада ложного вакуума
| Открытие распада ложного вакуума: ученые получили доказательства | 24.01.2024 | | Ученые показали возможный механизм смерти Вселенной в результате распада ложного вакуума. |
| Распад вакуума уничтожит Вселенную - 26 Октября 2016 – Земля - Хроники жизни | Ученые показали возможный механизм смерти Вселенной в результате распада ложного вакуума. |
Ученые получают доказательства распада ложного вакуума
Гибель Вселенной может наступить из-за распада ложного вакуума, об этом гласит одна из научных теорий. На канале Kurzgesagt видеохостинга YouTube появился ролик, на котором ученые рассказали о возможном механизме уничтожения Вселенной, которое может произойти в результате распада ложного вакуума, передает Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. Многие российские СМИ новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума».
Распад нестабильного вакуума
Событие ложного распада вакуума иногда используется в качестве сюжета в работах, изображающих событие судного дня. С такого пузыря начинается квантовый распад ложного вакуума в теориях с неравноправными вакуумами. Открытие исследователей: проблема ложного вакуума доказана на практике Международная группа ученых достигла прорыва в изучении распада ложного вакуума, что было подтверждено экспериментально.