Sự phân rã chân không giả

Nếu không gian trống không ở mức năng lượng thấp nhất của nó, một bong bóng chân không thật có thể lớn lên với tốc độ ánh sáng: điều đó nghĩa là gì, nó có thể bắt đầu ra sao, và vì sao nó không phải là mối nguy

Một giả thuyết: vật lý cho phép trên giấy, nhưng chưa ai từng thấy. Mọi thứ theo lý thuyết hiện nay.

Xem trong 3D

Từng bước

Không gian trống không hề trống

Các hạt có khối lượng tùy theo mức chúng cảm nhận giá trị đó mạnh đến đâu. Electron cảm nhận yếu nên nhẹ; quark top cảm nhận mạnh nhất và nặng gần bằng một nguyên tử vàng. Thay đổi giá trị đó thì mọi khối lượng đều thay đổi theo, và cùng với khối lượng là kích thước nguyên tử và toàn bộ hóa học.

Boson Higgs, được tìm thấy tại CERN năm 2012, là một gợn sóng trong trường này. Ánh tím lung linh là hình vẽ minh họa: bản thân trường không thể nhìn thấy và sẽ trông như nhau ở mọi nơi.

Quả bóng trong hõm

Hãy hình dung năng lượng của trường như một địa hình và chân không của chúng ta như một quả bóng nằm trong một hõm. Nếu bên kia ngọn đồi có một thung lũng sâu hơn, chân không của ta là chân không giả: ổn định, nhưng không phải thấp nhất.

Quả bóng trong hõm ổn định trước những cú đẩy nhỏ: đẩy nhẹ thì nó lăn về. Nhưng nếu vùng đất bên kia đồi còn thấp hơn nữa, cái hõm chỉ là giả bền, như nước quá lạnh, vẫn lỏng dưới điểm đóng băng cho đến khi có gì đó khơi mào băng. Các nhà vật lý gọi trạng thái ấy là chân không giả, và thung lũng thấp nhất là chân không thật.

Hai khối lượng đo được

Degrassi và đồng nghiệp đã chỉ ra điều này năm 2012, chính năm boson Higgs được tìm thấy, và các nghiên cứu sau đều đồng ý. Các khối lượng là trung bình của Particle Data Group từ các phép đo của ATLAS, CMS và Tevatron. Chúng nằm sát ranh giới, điều mà một số nhà vật lý coi là một manh mối; một quark top nặng hơn nhiều hẳn đã khiến chân không phân rã từ lâu.

Điều này chưa chắc chắn. Khối lượng quark top khó gắn với con số mà lý thuyết cần, và cường độ của lực mạnh cũng thêm phần nghi ngờ. Năm 2018, Andreassen, Frost và Schwartz tính ra rằng muốn loại trừ chắc chắn một chân không ổn định thì phải biết khối lượng quark top chính xác đến 250 MeV.

Nó có thể bắt đầu thế nào

Vật lý lượng tử cho phép vật vượt qua những rào cản mà chúng không thể leo qua, như hạt alpha thoát khỏi hạt nhân. Với chân không, điều đó có nghĩa là một vùng nhỏ có thể nhảy xuống thung lũng thấp hơn mà không cần nguyên nhân nào. Bong bóng quá nhỏ sẽ co lại; bong bóng vừa vượt kích thước tới hạn thu được từ bên trong nhiều năng lượng hơn cái giá của lớp vỏ, và lớn lên.

Con số đó chỉ đúng nếu Mô hình Chuẩn là toàn bộ câu chuyện cho tới năng lượng khổng lồ. Những hạt chưa biết có thể làm chân không ổn định, hoặc rút ngắn tuổi thọ của nó. Một số nhà lý thuyết đã đặt câu hỏi liệu các lỗ đen tí hon có thể gieo mầm bong bóng hay không (Burda, Gregory và Moss, 2015), một ý tưởng chưa có bằng chứng nào ủng hộ hay bác bỏ.

Không báo trước

Khi bong bóng đủ lớn để phát triển, năng lượng giải phóng khi chân không tụt xuống thấp hơn đẩy vỏ của nó đi ngày càng nhanh, và chỉ trong chớp mắt nó chuyển động gần như bằng tốc độ ánh sáng. Nhìn từ bên ngoài, bong bóng lớn thêm một năm ánh sáng mỗi năm: băng qua 100.000 năm ánh sáng của Ngân Hà trong khoảng 100.000 năm.

Ánh sáng từ lúc bong bóng ra đời chỉ đi trước vỏ của nó một chút, nên chẳng có gì để thấy cho đến khi nó tới nơi. Hình ảnh cho thấy bong bóng từ bên ngoài theo cách không con mắt nào thấy được: thực tế, các ngôi sao phía trước nó vẫn sáng bình thường cho đến khoảnh khắc vỏ ập tới. Nó băng qua một người trong vài phần tỉ giây, nhanh hơn nhiều so với bất kỳ tín hiệu thần kinh nào, nên không ai cảm thấy gì.

Bên trong bong bóng

Bên trong, trường Higgs sẽ có giá trị lớn hơn rất nhiều, và khối lượng các hạt cùng các lực giữa chúng sẽ thay đổi theo. Nguyên tử, và do đó hóa học và sự sống, không thể tồn tại ở đó.

Mọi hạt nhận khối lượng từ trường Higgs sẽ nặng hơn rất nhiều bên trong bong bóng, và sự cân bằng các lực giữ nguyên tử lại với nhau sẽ mất đi. Các định luật ở đó cụ thể ra sao thì chưa ai biết: không thể tin cậy Mô hình Chuẩn ở những giá trị trường như vậy. Điều rõ ràng là vật chất tạo nên chúng ta sẽ không sống sót qua lớp vỏ ấy.

Hấp dẫn còn làm mọi thứ tệ hơn. Chân không thật nằm thấp hơn chân không của ta, vốn có năng lượng gần đúng bằng không, nên năng lượng của nó sẽ âm, và năm 1980 Coleman và De Luccia đã chỉ ra rằng khi đó không gian bên trong bong bóng như vậy sẽ tự sụp đổ. Màu tím sẫm bên trong là hình vẽ minh họa: không ai biết nó sẽ trông thế nào, nếu có.

Máy gia tốc có thể khơi mào nó không?

Không. Tia vũ trụ va vào Mặt Trăng, các hành tinh và các ngôi sao với năng lượng lớn hơn rất nhiều so với mọi máy gia tốc, và đã làm vậy suốt hàng tỉ năm. Chân không vẫn còn đây.

Piet Hut và Martin Rees đưa ra lập luận này năm 1983: nếu va chạm ở những năng lượng như vậy có thể khơi mào bong bóng, thì một bong bóng hẳn đã hình thành từ lâu ở đâu đó trong quá khứ của ta, và chúng ta đã không có mặt ở đây. Bản đánh giá an toàn LHC năm 2008 cũng đi đến cùng kết luận. Máy gia tốc tái hiện trong phòng thí nghiệm điều mà tự nhiên làm dữ dội hơn nhiều mỗi ngày.

Điều này có thật không?

Không ai biết. Chân không của ta có thể rốt cuộc là thấp nhất: câu trả lời phụ thuộc vào khối lượng chính xác của quark top và vào vật lý ngoài Mô hình Chuẩn, thứ ta biết chắc là có tồn tại.

Mô hình Chuẩn bỏ qua vật chất tối, hấp dẫn ở năng lượng cao nhất và nhiều thứ khác. Các hạt mới ở năng lượng cao có thể thay đổi hình dạng năng lượng của trường Higgs, khiến chân không của ta ổn định, hoặc kém ổn định hơn. Các phép đo quark top chính xác hơn, tại LHC và các máy gia tốc tương lai, sẽ thu hẹp câu trả lời.