偽の真空の崩壊

何もない空間が最低のエネルギー状態でないなら、真の真空の泡が光速で広がりうる。それが何を意味し、どう始まりうるのか、そしてなぜ危険ではないのか

仮説です。物理学の上では可能ですが、実際に見た人はいません。表示はすべて現在の理論に基づきます。

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ステップごとに

何もない空間は空っぽではない

粒子は、その値をどれだけ強く感じるかによって質量を得る。電子は弱くしか感じないので軽く、トップクォークは最も強く感じて金の原子とほぼ同じ重さになる。値が変われば質量はすべて変わり、それに伴って原子の大きさも化学全体も変わる。

2012年にCERNで発見されたヒッグス粒子は、この場のさざ波だ。紫のゆらめきは描いたもので、場そのものは見えず、どこでも同じに見えるはずだ。

くぼみの中のボール

場のエネルギーを地形にたとえ、私たちの真空をくぼみに止まったボールと考えよう。丘の向こうにもっと深い谷があるなら、私たちの真空は偽の真空だ。安定してはいるが、最も低くはない。

くぼみの中のボールは小さな揺さぶりには安定している。少し押しても転がって戻る。しかし丘の向こうの土地がさらに低いなら、そのくぼみは準安定にすぎない。氷点下でも何かが凍結のきっかけを作るまで液体のままの過冷却水のようなものだ。物理学者はこうした状態を偽の真空、最も低い谷を真の真空と呼ぶ。

測定された2つの質量

デグラッシらは、ヒッグス粒子が発見された2012年にこれを示し、その後の研究も一致している。質量は、ATLAS、CMS、テバトロンの測定値を粒子データグループ（PDG）が平均したものだ。値は境界線のすぐ近くにあり、それ自体を手がかりと考える物理学者もいる。トップクォークがずっと重ければ、真空はとうの昔に崩壊していただろう。

確実ではない。トップクォークの質量を理論が必要とする数値に結びつけるのは難しく、強い力の強さも不確かさを加える。アンドレアセン、フロスト、シュワルツは2018年に、安定な真空を確実に否定するにはトップクォークの質量を250 MeV以内の精度で知る必要があると求めた。

どう始まりうるか

量子物理学では、登れない障壁を通り抜けることができる。アルファ粒子が原子核から逃げ出すのと同じだ。真空にとっては、小さな領域がまったく何の原因もなく低い谷へ飛び移りうることを意味する。小さすぎる泡は再び縮んで消えるが、臨界の大きさをわずかに超えた泡は、壁にかかるエネルギーより多くのエネルギーを内側から得て、広がっていく。

この数値は、途方もないエネルギーまで標準模型がすべてである場合にのみ成り立つ。未知の粒子が真空を安定にすることも、寿命を縮めることもありうる。ごく小さなブラックホールが泡の種になりうるかと問う理論家もいる（ブルダ、グレゴリー、モス、2015年）が、この考えには肯定・否定どちらの証拠もない。

前触れなし

泡が広がれるほど大きくなると、真空がより低い状態へ落ちることで解放されるエネルギーが壁をどんどん速く押し、ごくわずかな時間でほとんど光速で動くようになる。外から見ると、泡は1年に1光年ずつ広がる。天の川銀河の10万光年を横切るのに約10万年かかる。

泡の誕生の光は壁のほんのわずか先を進むだけなので、泡がここに来るまで何も見えない。この絵は泡をどんな目にも見えない外側から描いている。実際には、壁が到着するその瞬間まで、前方の星々は何事もなく輝き続けるだろう。壁は人の体を数十億分の1秒で通り過ぎ、どんな神経が信号を送るよりもはるかに速いので、誰もそれを感じないだろう。

バブルの中

内側ではヒッグス場がはるかに大きな値をとり、粒子の質量や粒子間の力もそれに伴って変わる。そこでは原子は存在できず、したがって化学も生命も存在できない。

ヒッグス場から質量を得ている粒子はすべて、泡の内側では途方もなく重くなり、原子をまとめている力の釣り合いは失われる。そこでの法則が細部までどうなるかはわかっていない。そのような場の値では標準模型は信頼できないからだ。はっきりしているのは、私たちを形づくる物質は壁を越えて生き残れないということだ。

重力が事態をさらに悪くする。真の真空は、エネルギーがほぼちょうどゼロである私たちの真空より低いので、そのエネルギーはゼロを下回る。コールマンとデ・ルッチャは1980年に、そのような泡の内側の空間は自らの内へ崩れ落ちることを示した。内側の濃い紫は描いたもので、それがどう見えるのか、そもそも見えるのかは誰にもわからない。

加速器で泡を作れるか？

作れない。宇宙線は、どんな加速器も到達できないほどはるかに高いエネルギーで月や惑星や恒星にぶつかっていて、何十億年もそうしてきた。それでも真空はまだここにある。

ピート・ハットとマーティン・リースは1983年にこう論じた。そのようなエネルギーの衝突が泡を引き起こせるなら、ずっと昔に私たちの過去のどこかで泡ができていて、私たちはここにいないはずだ。2008年のLHC安全性評価も同じ答えに達した。加速器は、自然が毎日はるかに激しく行っていることを実験室で再現しているにすぎない。

本当なのか？

誰にもわからない。私たちの真空が結局は最も低いのかもしれない。答えはトップクォークの正確な質量と、存在するはずだとわかっている標準模型を超える物理にかかっている。

標準模型は、暗黒物質や最高エネルギーでの重力など、多くのものを含んでいない。高エネルギーの新しい粒子がヒッグス場のエネルギーの形を変え、私たちの真空を安定にすることも、より不安定にすることもありうる。LHCや将来の加速器でトップクォークをより精密に測定すれば、答えは絞り込まれていく。