Распад ложного вакуума

Если у пустого пространства не самая низкая энергия, пузырь истинного вакуума мог бы расти со скоростью света: что это значит, как это могло бы начаться и почему это не опасно

Гипотеза: физика допускает это на бумаге, но никто этого не видел. Всё показано по теории в её нынешнем виде.

Смотреть в 3D

Шаг за шагом

Пустое пространство не пусто

Частицы получают массу от того, насколько сильно они чувствуют это значение. Электрон чувствует его слабо и потому лёгок; t-кварк чувствует его сильнее всех и весит почти как атом золота. Измените значение — и вместе с ним изменятся все массы, а с массами — размеры атомов и вся химия.

Бозон Хиггса, открытый в ЦЕРН в 2012 году, — это рябь этого поля. Фиолетовое мерцание нарисовано: само поле увидеть нельзя, и везде оно выглядело бы одинаково.

Шарик в ямке

Представьте энергию поля как рельеф, а наш вакуум — как шарик, лежащий в ямке. Если за холмом есть более глубокая долина, наш вакуум ложный: устойчивый, но не самый низкий.

Шарик в ямке устойчив к слабым толчкам: толкните его немного, и он скатится обратно. Но если за холмом местность опускается ещё ниже, ямка лишь метастабильна, как переохлаждённая вода, которая остаётся жидкой ниже точки замерзания, пока что-нибудь не запустит образование льда. Такое состояние физики называют ложным вакуумом, а самую низкую долину — истинным вакуумом.

Две измеренные массы

Деграсси с коллегами показали это в 2012 году, в год открытия бозона Хиггса, и более поздние работы с этим согласны. Массы — это средние значения Particle Data Group по измерениям ATLAS, CMS и Тэватрона. Они лежат близко к границе, что некоторые физики сами по себе считают подсказкой; гораздо более тяжёлый t-кварк привёл бы к распаду вакуума задолго до наших дней.

Это не точно. Массу t-кварка трудно связать с тем числом, которое нужно теории, а сила сильного взаимодействия добавляет неопределённости. Андреассен, Фрост и Шварц в 2018 году подсчитали, что для того, чтобы наверняка исключить стабильный вакуум, массу t-кварка нужно знать с точностью до 250 МэВ.

Как это могло бы начаться

Квантовая физика позволяет преодолевать барьеры, на которые невозможно взобраться, — так альфа-частица вылетает из ядра. Для вакуума это значит, что небольшая область могла бы перескочить в нижнюю долину вообще без всякой причины. Слишком маленький пузырь снова исчезает; пузырь чуть больше критического размера получает от своей внутренности больше энергии, чем стоит его стенка, и растёт.

Эта цифра верна, только если Стандартная модель — это вся картина вплоть до огромных энергий. Неизвестные частицы могли бы сделать вакуум стабильным или сократить его жизнь. Некоторые теоретики задавались вопросом, не могут ли крошечные чёрные дыры зарождать пузыри (Бурда, Грегори и Мосс, 2015), — идея, для которой нет свидетельств ни за, ни против.

Без предупреждения

Когда пузырь становится достаточно большим, чтобы расти, энергия, освобождающаяся при падении вакуума ниже, толкает его стенку всё быстрее, и за крошечное время она начинает двигаться практически со скоростью света. Снаружи видно, что пузырь растёт на световой год за год: через Млечный Путь размером 100 тысяч световых лет — примерно за 100 тысяч лет.

Свет от рождения пузыря летит лишь чуть впереди его стенки, поэтому видеть нечего, пока она не окажется здесь. Картинка показывает пузырь снаружи так, как не увидел бы ни один глаз: на самом деле звёзды перед ним светили бы как ни в чём не бывало до того мгновения, когда придёт стенка. Человека она пересекла бы за несколько миллиардных долей секунды, гораздо быстрее, чем может передать сигнал любой нерв, так что никто ничего не почувствовал бы.

Внутри пузыря

Внутри поле Хиггса имело бы гораздо большее значение, и массы частиц и силы между ними изменились бы вместе с ним. Атомы, а значит, химия и жизнь, существовать там не могли бы.

Каждая частица, получающая массу от поля Хиггса, внутри пузыря весила бы чудовищно больше, и равновесие сил, удерживающее атомы, было бы потеряно. Как в деталях выглядели бы законы там, неизвестно: Стандартной модели при таких значениях поля доверять нельзя. Ясно одно: вещество, из которого мы состоим, стенку не пережило бы.

Гравитация делает всё ещё хуже. Истинный вакуум лежит ниже нашего, энергия которого почти точно равна нулю, поэтому его энергия была бы ниже нуля, а Коулман и Де Луччиа показали в 1980 году, что тогда пространство внутри такого пузыря схлопнулось бы само в себя. Тёмно-фиолетовое нутро нарисовано: никто не знает, как оно выглядело бы, если вообще как-то выглядело.

Может ли его запустить коллайдер?

Нет. Космические лучи бьют в Луну, планеты и звёзды с гораздо большей энергией, чем может достичь любой коллайдер, и делают это миллиарды лет. Вакуум всё ещё на месте.

Пит Хат и Мартин Рис привели этот довод в 1983 году: если бы столкновения при таких энергиях могли запустить пузырь, он давно возник бы где-то в нашем прошлом, и нас бы здесь не было. Обзор безопасности БАК 2008 года пришёл к тому же ответу. Коллайдеры воспроизводят в лаборатории то, что природа каждый день делает гораздо яростнее.

Это реально?

Никто не знает. Наш вакуум, возможно, всё-таки самый низкий: ответ зависит от точной массы t-кварка и от физики за пределами Стандартной модели, которая, как мы знаем, должна существовать.

Стандартная модель не включает тёмную материю, гравитацию при самых высоких энергиях и многое другое. Новые частицы при высоких энергиях могли бы изменить форму энергии поля Хиггса и сделать наш вакуум стабильным или менее стабильным. Более точные измерения t-кварка на БАК и будущих коллайдерах сузят ответ.