Kosmiczna blokada to zaproponowany przez fizyków mechanizm, w którym oddziaływanie z otoczeniem silnie ogranicza przechodzenie pola kwantowego między stanami energii. W uproszczonym modelu rozszerzającego się Wszechświata efekt ten pomagał utrzymać pole w osiągniętym stanie — nawet jeśli dostępny był stan o niższej energii. Wynik może mieć znaczenie dla badań stabilności kosmosu, ale nie rozstrzyga jeszcze losu pola Higgsa.
Czy stan, na którym opiera się znana nam materia, jest najtrwalszym z możliwych? To jedno z pytań pojawiających się na styku fizyki kwantowej i kosmologii. Niektóre obliczenia dopuszczają możliwość, że pole Higgsa znajduje się w stanie tylko pozornie ostatecznym: stabilnym wobec małych zaburzeń, lecz oddzielonym barierą od głębszego minimum energii.
Naukowcy z udziałem zespołu z University of Portsmouth sprawdzili, jak na podobną sytuację wpływa otoczenie pola. W pracy opublikowanej w „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics” opisali model, w którym kontakt z innymi polami może wyraźnie tłumić tunelowanie kwantowe.
Fałszywa próżnia — stabilna dolina, ale nie najgłębsza
W teorii pola kwantowego próżnia nie oznacza po prostu pustej przestrzeni. Jest stanem, w którym pole znajduje się w minimum swojej energii.
Można to porównać do krajobrazu z dolinami o różnej głębokości. Kulka spoczywająca na dnie jednej z nich nie poruszy się pod wpływem niewielkiego zaburzenia. Nie musi jednak znajdować się w najniższym punkcie całego terenu.
Najgłębsze minimum odpowiada prawdziwej próżni. Płytsze, lokalne minimum nazywa się fałszywą próżnią. Oddzielająca je bariera pozwala układowi pozostawać w takim stanie przez długi czas.
Mechanika kwantowa dopuszcza jednak tunelowanie — przejście przez barierę, której układ nie mógłby pokonać w klasycznym opisie. Dlatego samo znalezienie się w lokalnym minimum nie gwarantuje pozostania w nim na zawsze.
Dlaczego w tej historii pojawia się pole Higgsa?
Pole Higgsa uczestniczy w nadawaniu masy niektórym cząstkom elementarnym, w tym elektronom. Jego stan ma więc fundamentalne znaczenie dla właściwości materii.
Istnieją scenariusze teoretyczne, w których obecny stan tego pola nie jest najniższym możliwym energetycznie. Gdyby nastąpiło przejście do głębszego minimum, własności cząstek i oddziaływań mogłyby ulec radykalnej zmianie.
Nie oznacza to, że nowe badanie wykryło nadchodzące zagrożenie. Autorzy analizowali ogólny mechanizm mogący wpływać na trwałość stanów kwantowych, a nie obserwowali przemiany pola Higgsa.
Co naukowcy umieścili w swoim modelu?
Badacze rozpatrywali pole kwantowe w uproszczonym, rozszerzającym się Wszechświecie. Jego możliwe stany opisali za pomocą dwóch minimów energii o różnej głębokości.
Kluczowe było uwzględnienie innych pól tworzących otoczenie badanego układu. Zamiast traktować główne pole jako idealnie odizolowane, naukowcy pozwolili mu oddziaływać ze środowiskiem.
To istotne założenie. W rzeczywistych układach nawet słaby kontakt z otoczeniem może zmieniać zachowanie kwantowe. Doskonale znają ten problem konstruktorzy komputerów kwantowych, którzy starają się chronić delikatne stany przed niepożądanymi oddziaływaniami.
Zespół wykorzystał podobne narzędzia opisu do analizy pola ewoluującego podczas szybkiej ekspansji wczesnego Wszechświata.
Jak działa kosmiczna blokada?
Oddziaływania sprawiają, że informacja o stanie układu rozchodzi się do jego otoczenia. Prowadzi to do dekoherencji, czyli zaniku obserwowalnej interferencji między rozpatrywanymi możliwościami kwantowymi.
W warunkach analizowanych przez autorów dekoherencji towarzyszyło silne stłumienie tunelowania między minimami. Pole mogło zostać skutecznie zatrzymane w dolinie, w której wcześniej się znalazło.
Ten efekt nazwano kosmiczną blokadą. Dotyczy ona przejść między stanami pola, a nie zatrzymania ekspansji Wszechświata czy ruchu znajdujących się w nim obiektów.
Ważne jest również rozróżnienie dwóch etapów. Oddziaływanie z otoczeniem nie kierowało automatycznie pola do najgłębszego minimum. Przede wszystkim pomagało utrwalić wcześniejszy wynik jego ewolucji.
Masa pola i tempo ekspansji wpływają na wybór stanu
To, do której doliny trafiało pole, zależało w dużej mierze od jego własnej dynamiki w porównaniu z tempem rozszerzania się przestrzeni.
Autorzy opisywali tę zależność, porównując masę pola ze skalą Hubble’a, związaną z ekspansją Wszechświata.
Pole ciężkie względem tej skali potrafiło sprawniej dostosowywać się do zmieniających się warunków. W takim przypadku z dużym prawdopodobieństwem zmierzało ku prawdziwej próżni.
Dla lżejszych pól szybka ekspansja utrudniała podobne dostosowanie. Zwiększała się wówczas możliwość znalezienia się w fałszywej próżni. Późniejsza dekoherencja mogła ograniczać dalsze przejścia i podtrzymywać ten stan.
Kwantowy efekt Zenona bez świadomego obserwatora
Badacze wiążą proponowany mechanizm z kwantowym efektem Zenona. W określonych warunkach częste monitorowanie układu może hamować jego przechodzenie do innego stanu.
W tym przypadku „monitorowanie” oznacza fizyczne oddziaływania z otoczeniem. Nie wymaga człowieka, aparatury pomiarowej ani świadomej obserwacji.
Inne pola mogą stale przejmować informację o badanym polu. W analizowanym modelu takie oddziaływanie ograniczało jego zdolność do tunelowania.
Podobieństwo do problemów komputerów kwantowych jest więc głębsze niż sama analogia. W obu przypadkach istotny jest wpływ środowiska na zachowanie układu kwantowego — choć jego konsekwencje mogą być zupełnie inne.
Czy to wyjaśnia stabilność naszego Wszechświata?
Kosmiczna blokada stanowi interesującą możliwość, ale wynik uproszczonego modelu nie wystarcza do potwierdzenia jej działania w rzeczywistym kosmosie.
Nie wykazano, że mechanizm zabezpiecza obecny stan pola Higgsa. Badanie nie określa również prawdopodobieństwa jego ewentualnej przemiany ani nie dowodzi wiecznej stabilności Wszechświata.
David Wands z University of Portsmouth podkreśla potrzebę bardziej realistycznych modeli. Dopiero one pozwolą ocenić, w jakim stopniu opisany efekt można zastosować do konkretnych pól i warunków kosmologicznych.
Praca wskazuje jednak ważny kierunek: o trwałości stanu pola może decydować nie tylko kształt jego energetycznego krajobrazu, lecz także kontakt z innymi polami. Otoczenie, które utrudnia zachowanie informacji w komputerach kwantowych, w pewnych warunkach mogłoby pomagać utrzymać stabilność stanu kosmosu.
Wyniki badań opublikowano w czasopismach Journal of Cosmology i Astroarticle Physics .