Физици проведоха нова мащабна симулация, която предлага нов поглед върху мистериозен процес, който един ден може да определи окончателната съдба на Вселената.

Преди около 50 години физици теоретици предложиха, че нашата Вселена може да е заседнала във „фалшив вакуум“ - състояние, което изглежда стабилно, но всъщност може да е временно. Според тази идея Вселената може по всяко време да премине в по-стабилно състояние на „истински вакуум“. Ако това се случи, самата структура на реалността може да се промени незабавно и драматично, променяйки фундаменталните сили и частици, които изграждат всичко. Учените смятат, че този вид преход е изключително малко вероятно да се случи скоро, ако изобщо се случи, но би могъл да се случи във времеви мащаби, обхващащи милиони или дори милиарди години.

Сега международен екип от три изследователски института използва мощна квантова симулация, за да проучи как може да се развие този фалшив разпад на вакуума. Работата им дава ново разбиране за квантовото поведение, което управлява както ранната Вселена, така и най-малките градивни елементи на материята. Проектът е ръководен от професор Златко Папич от университета в Лийдс и д-р Яка Водеб от Forschungszentrum Jülich в Германия.

„Говорим за процес, при който Вселената напълно ще промени структурата си“, казва водещият автор на статията проф. Папич, професор по теоретична физика в Училището по физика и астрономия в Лийдс. "Фундаменталните константи биха могли да се променят мигновено и светът, който познаваме, би се срутил като къщичка от карти. Това, от което наистина се нуждаем, са контролирани експерименти, за да наблюдаваме този процес и да определим неговите времеви мащаби."

Изследването представлява голям скок в изучаването на квантовата динамика - как системите се развиват според странните правила на квантовата механика. Симулацията на екипа може също така да има практическо значение за развитието на квантовите изчисления, които един ден могат да помогнат на учените да решат най-трудните загадки за природата на самата реалност.

Изследването, проведено от Университета в Лийдс, Forschungszentrum Jülich и Института за наука и технологии в Австрия (ISTA), има за цел да разбере ключовата загадка на фалшивия разпад на вакуума - основният механизъм, който стои зад него. Те използваха 5564-кубитов квантов отгряващ апарат - вид квантова машина, разработена от D-Wave Quantum Inc. за решаване на сложни оптимизационни задачи, които включват намиране на най-доброто решение от набор от възможни решения, като се използват уникалните свойства на квантово-механичните системи.

В статията, публикувана неотдавна в Nature Physics, екипът обяснява как е използвал машината, за да имитира поведението на мехурчетата във фалшив вакуум. Тези мехурчета са подобни на течните мехурчета, образуващи се във водна пара, охладена под точката на оросяване. Приема се, че образуването, взаимодействието и разпространението на тези мехурчета би било спусък за разпадането на фалшивия вакуум.

Съавторът д-р Жан-Ив Дезол, постдокторант в ISTA, казва: „Този феномен е сравним с влакче в увеселителен парк, което има няколко долини по траекторията си, но само едно “истинско" най-ниско състояние, на нивото на земята. Ако случаят наистина е такъв, квантовата механика би позволила на Вселената в крайна сметка да се тунелира към най-ниското енергийно състояние или „истинския“ вакуум и този процес би довел до катаклизъм в световен мащаб.“

Квантовото отгряване позволи на учените да наблюдават сложния „танц“ на мехурчетата, който включва начина, по който те се образуват, растат и взаимодействат в реално време. Тези наблюдения разкриха, че динамиката не е изолирано събитие - тя включва сложни взаимодействия, включително как по-малките мехурчета могат да влияят на по-големите. Екипът казва, че техните открития дават нов поглед върху това как такива преходи биха могли да се случат малко след Големия взрив.

Физиците отдавна си задават въпроса дали процесът на разпад на фалшивия вакуум може да се случи и ако да, колко време ще отнеме. Въпреки това те не са постигнали голям напредък в намирането на отговори поради тромавата математическа природа на квантовата теория на полето.

Вместо да се опитва да разгадае тези сложни проблеми, екипът си поставя за цел да отговори на по-прости, които могат да бъдат изследвани с помощта на новодостъпни устройства и хардуер. Смята се, че това е един от първите случаи, в които учените са успели директно да симулират и наблюдават динамиката на фалшивия разпад на вакуума в такъв голям мащаб.

Експериментът включва поставянето на 5564 кюбита - елементарните градивни елементи на квантовите изчисления - в специфични конфигурации, които представляват фалшивия вакуум. Чрез внимателно контролиране на системата изследователите могат да предизвикат прехода от фалшив към истински вакуум, отразявайки образуването на мехурчета, както е описано в теорията за разпадането на фалшивия вакуум. В изследването е използван едноизмерен модел, но се смята, че ще бъде възможно създаването на триизмерни версии на същата система за отгряване.

Снимка: Unsplash/Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Виж още: Милиони устройства с Apple Airplay могат да бъдат хакнати просто чрез Wi-Fi