Rozpad fałszywej próżni: chińscy fizycy odtworzyli koniec Wszechświata w laboratorium

Spis treści:

1. Czym jest próżnia?
2. Prawdziwa a fałszywa próżnia: metafora połączonych jezior
3. Mikrowszechświat w laboratorium - pierścień atomów Rydberga

– W kwantowej teorii pola „próżnia” nie jest po prostu pustą przestrzenią, lecz stanem o najniższej energii pola kwantowego. Jeśli krajobraz energetyczny ma wiele lokalnych minimów, lokalne stany podstawowe stanowią tzw. fałszywą próżnię (FV), która może tunelować w kierunku globalnego stanu podstawowego (prawdziwej próżni, TV).

Proces ten wykazuje cechy podobne do klasycznych przemian w przechłodzonym gazie oraz tunelowania wielu cząstek w układach kwantowych. W tej pracy badamy rozpad fałszywej próżni oraz nukleację bąbli w pierścieniu atomów Rydberga – napisali w artykule opublikowanym na łamach Physical Review Letters uczeni z Uniwersytetu Tsinghua w Chinach. Co konkretnie mieli na myśli?

Czym jest próżnia?

Zacznijmy od próżni. Fizyka kwantowa uznaje próżnię za stan o najniższej energii we Wszechświecie. Jednak możliwe jest, że istnieje bardziej stabilny stan o jeszcze niższej energii. Jeśli fragment przestrzeni przeszedłby do tego stanu, mógłby się rozszerzać i pochłonąć cały Wszechświat z prędkością światła, nadpisując po drodze prawa fizyki.

Na całe szczęście rozpad fałszywej próżni prowadzi do zniszczenia Wszechświata tylko w niektórych scenariuszach teoretycznych. Samo zjawisko leży na styku teorii kwantowej i teorii względności – co czyni je potencjalnie użytecznym narzędziem do próby rozwiązania dotychczas nieusuwalnych różnic między tymi dwoma podejściami.

Równania teorii względności bardzo dobrze opisują, jak działa fizyka we Wszechświecie w dużych skalach i przy wysokich prędkościach. Niestety, gdy schodzimy do niezwykle małych rozmiarów (świata kwantowego na poziomie atomowym i subatomowym) teoria względności przestaje wystarczać do opisu zachowania materii. Najlepszym narzędziem, którym współcześnie dysponujemy jest tzw. kwantowa teoria pola. Opisuje ona sposób oddziaływania pól kwantowych i cząstek.

Prawdziwa a fałszywa próżnia: metafora połączonych jezior

Gdy teorie te działają w swoich zakresach, wszystko przebiega poprawnie. Jednak w pewnych ekstremalnych warunkach ich zakresy się nakładają, co wywołuje katastrofalne problemy. Nie istnieje jeszcze teoria, która łączyłaby oba te światy, dlatego fizycy badają obszary ich styku.

Jeśli krajobraz energetyczny pola kwantowego ma wiele lokalnych minimów (czyli „dołków”), odpowiadają one fałszywym próżniom. Mogą przejść do prawdziwej próżni, czyli jeszcze niższego stanu energii. Można to wytłumaczyć metaforą pojezierza: niektóre jeziora są głębsze niż inne – jeśli na dnie jednego z jezior powstanie tunel, woda spłynie do głębszej niecki.

Gdyby coś takiego wydarzyło się w próżni kosmicznej, nie mielibyśmy do czynienia ze zmianą wyłącznie lokalną. Zamiast odpływu wody, niewielki obszar przestrzeni przeszedłby do niższego stanu energii, tworząc coś w rodzaju bańki. Bańka ta nie pozostałaby w miejscu. Po osiągnięciu krytycznego rozmiaru, zaczęłaby rozszerzać się z prędkością bliską prędkości światła, przekształcając wszystko czego dotknie, w nowy stan.

To początkowe „tunelowanie” do niższego stanu jest procesem kwantowym – ale jego konsekwencje rozgrywają się w największych możliwych skalach, zmieniając cały Wszechświat.

Mikrowszechświat w laboratorium - pierścień atomów Rydberga

W eksperymencie laboratoryjnym uczeni użyli modelu zastępczego – pierścienia atomów Rydberga. W zwykłym atomie mamy jądro otoczone chmurą elektronów. Jeśli dostarczymy atomowi niewielką ilość energii, chmura elektronowa nieco się rozszerza.

Naukowcy ułożyli parzystą liczbę wzajemnie odpychających się atomów Rydberga w pierścień. W takiej konfiguracji każdy atom przyjmuje spin przeciwny do swoich sąsiadów, tworząc symetryczny, naprzemienny układ.

Następnie pobudzili atomy laserami, łamiąc tę symetrię. Dzięki temu pierścień mógł istnieć w dwóch różnych konfiguracjach o nieco różnych energiach – jednej odpowiadającej fałszywej próżni, a drugiej prawdziwej.

Układ ten „zanikał” w kierunku preferowanego stanu podstawowego, z szybkością zależną od siły działania lasera. Jest to zgodne z najczęściej akceptowanym mechanizmem rozpadu fałszywej próżni – powstawaniem kwantowej bańki zawierającej prawdziwą próżnię. Warunki sprzyjające powstaniu takiej bańki zwiększają prawdopodobieństwo przejścia.

Eksperyment potwierdził przewidywania teoretyczne. Czy pewnego dnia pomoże nam też odpowiedzieć na pytanie, jak bardzo powinniśmy się obawiać nagłej przemiany Wszechświata w coś zupełnie innego?

Źródło: Physical Review Letters

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.