Sahte vakum bozunumu

Boş uzay en düşük enerjisinde değilse, gerçek vakumdan bir kabarcık ışık hızında büyüyebilirdi: bunun anlamı, nasıl başlayabileceği ve neden bir tehlike olmadığı

Bir varsayım: fizik kâğıt üzerinde izin veriyor ama kimse görmedi. Gösterilen her şey bugünkü teoriye uyar.

3B'de izle

Adım adım

Boş uzay boş değildir

Parçacıklar kütlelerini bu değeri ne kadar güçlü hissettiklerinden alır. Elektron onu zayıf hisseder ve hafiftir; üst kuark onu en çok hisseder ve neredeyse bir altın atomu kadar ağırdır. Değeri değiştirin, bütün kütleler onunla birlikte değişir; kütlelerle birlikte de atomların boyutları ve kimyanın tamamı.

2012'de CERN'de bulunan Higgs bozonu bu alandaki bir dalgacıktır. Mor parıltı çizimdir: alanın kendisi görülemez ve her yerde aynı görünürdü.

Çukurdaki top

Alanın enerjisini bir arazi, vakumumuzu da bir çukurda duran top gibi düşünün. Tepenin ötesinde daha derin bir vadi varsa bizimki sahte bir vakumdur: kararlı, ama en düşük değil.

Çukurdaki bir top küçük dürtmelere karşı kararlıdır: onu biraz itin, geri yuvarlanır. Ama tepenin ötesindeki arazi daha da alçalıyorsa, çukur yalnızca yarı kararlıdır; tıpkı bir şey buzlanmayı başlatana kadar donma noktasının altında sıvı kalan aşırı soğutulmuş su gibi. Fizikçiler böyle bir duruma sahte vakum, en alçak vadiye de gerçek vakum der.

Ölçülmüş iki kütle

Degrassi ve meslektaşları bunu Higgs bozonunun bulunduğu yıl olan 2012'de gösterdi; sonraki çalışmalar da aynı fikirde. Kütleler, Particle Data Group'un ATLAS, CMS ve Tevatron ölçümlerinden aldığı ortalamalardır. Sınıra yakın dururlar ve bazı fizikçiler bunu başlı başına bir ipucu sayar; çok daha ağır bir üst kuark vakumun çoktan bozunmasına yol açardı.

Kesin değil. Üst kuarkın kütlesini kuramın ihtiyaç duyduğu sayıya bağlamak zordur ve güçlü kuvvetin şiddeti de belirsizlik ekler. Andreassen, Frost ve Schwartz 2018'de kararlı bir vakumu kesin olarak dışlamak için üst kuarkın kütlesinin 250 MeV hassasiyetle bilinmesi gerektiğini hesapladı.

Nasıl başlayabilir

Kuantum fiziği, şeylerin tırmanamayacakları engelleri aşmasına izin verir; tıpkı bir alfa parçacığının çekirdekten kaçması gibi. Vakum için bu, küçük bir bölgenin hiçbir neden olmadan alçak vadiye atlayabileceği anlamına gelir. Fazla küçük bir kabarcık yeniden küçülüp kaybolur; kritik boyutun biraz üstündeki ise içinden, duvarının maliyetinden daha fazla enerji kazanır ve büyür.

Bu rakam ancak Standart Model muazzam enerjilere kadar hikâyenin tamamıysa geçerlidir. Bilinmeyen parçacıklar vakumu kararlı yapabilir ya da ömrünü kısaltabilir. Bazı kuramcılar küçücük kara deliklerin kabarcıkları tetikleyip tetikleyemeyeceğini sordu (Burda, Gregory ve Moss, 2015); bu fikir için ne lehte ne aleyhte kanıt var.

Uyarı yok

Bir kabarcık büyüyecek kadar büyüdüğünde, vakum daha aşağı inerken açığa çıkan enerji duvarını giderek daha hızlı iter ve çok kısa bir sürede duvar pratikte ışık hızında ilerler. Dışarıdan bakıldığında kabarcık her yıl bir ışık yılı büyür: Samanyolu'nun 100.000 ışık yılını yaklaşık 100.000 yılda geçer.

Kabarcığın doğuşundan çıkan ışık, duvarının ancak biraz önünde ilerler; bu yüzden duvar buraya gelene kadar görülecek bir şey yoktur. Resim kabarcığı dışarıdan hiçbir gözün göremeyeceği biçimde gösterir: gerçekte önündeki yıldızlar duvarın geldiği ana kadar hiçbir şey olmamış gibi parlamaya devam ederdi. Bir insanı saniyenin birkaç milyarda birinde geçerdi, herhangi bir sinirin sinyal iletmesinden çok daha hızlı; bu yüzden kimse bir şey hissetmezdi.

Balonun içinde

İçeride Higgs alanı çok daha büyük bir değere sahip olur, parçacıkların kütleleri ve aralarındaki kuvvetler de onunla birlikte değişirdi. Orada atomlar, dolayısıyla kimya ve yaşam var olamazdı.

Kütlesini Higgs alanından alan her parçacık kabarcığın içinde muazzam derecede ağır olur ve atomları bir arada tutan kuvvetlerin dengesi kaybolurdu. Oradaki yasaların ayrıntıda nasıl olacağı bilinmiyor: böyle alan değerlerinde Standart Model'e güvenilemez. Açık olan şu ki, bizi oluşturan madde duvardan sağ çıkamazdı.

Kütleçekim işi daha da kötüleştirir. Gerçek vakum, enerjisi neredeyse tam olarak sıfır olan bizimkinden daha aşağıdadır; bu yüzden enerjisi sıfırın altında olurdu. Coleman ve De Luccia 1980'de böyle bir kabarcığın içindeki uzayın o zaman kendi içine çökeceğini gösterdi. İçerideki koyu mor çizimdir: neye benzeyeceğini, bir şeye benzeyecekse, kimse bilmiyor.

Bir çarpıştırıcı başlatabilir mi?

Hayır. Kozmik ışınlar Ay'a, gezegenlere ve yıldızlara herhangi bir çarpıştırıcının ulaşabileceğinden çok daha yüksek enerjiyle çarpar ve bunu milyarlarca yıldır yapar. Vakum hâlâ burada.

Piet Hut ve Martin Rees bu argümanı 1983'te ortaya koydu: böyle enerjilerdeki çarpışmalar bir kabarcığı tetikleyebilseydi, geçmişimizde bir yerde çoktan bir kabarcık oluşmuş olurdu ve biz burada olmazdık. LHC'nin 2008 güvenlik incelemesi de aynı sonuca vardı. Çarpıştırıcılar, doğanın her gün çok daha şiddetle yaptığını laboratuvarda yeniden üretir.

Gerçek mi?

Kimse bilmiyor. Vakumumuz sonuçta en düşük olabilir: yanıt üst kuarkın kesin kütlesine ve var olması gerektiğini bildiğimiz Standart Model ötesi fiziğe bağlıdır.

Standart Model karanlık maddeyi, en yüksek enerjilerdeki kütleçekimi ve daha pek çok şeyi dışarıda bırakır. Yüksek enerjilerdeki yeni parçacıklar Higgs alanı enerjisinin biçimini değiştirerek vakumumuzu kararlı ya da daha az kararlı yapabilir. LHC'de ve gelecekteki çarpıştırıcılarda üst kuarkın daha keskin ölçümleri yanıtı daraltacak.