Вперше в історії фізики простежили механізм, що може призвести до руйнування космосу

Європейські фізики вперше відтворили в лабораторії процес, який теоретично може призвести до кінця Всесвіту — так зване “розпадання хибного вакууму” (false vac­u­um decay). Дослідження, опубліковане в журналі Nature Physics, демонструє, як цей гіпотетичний сценарій можна імітувати за допомогою ультрахолодних атомів, відкриваючи шлях до експериментального вивчення одного з найнебезпечніших процесів у теоретичній фізиці.

Згідно з квантовою теорією поля, наш Всесвіт може перебувати не в найнижчому можливому енергетичному стані, а у так званому “метастабільному” або “хибному вакуумі”. Якщо він раптово “перекинеться” у більш стабільний стан — “істинний вакуум”, — це спричинить катастрофічне перетворення простору, змінюючи закони фізики у всій області поширення. Такий перехід почнеться з появи міхура істинного вакууму, який розширюватиметься майже зі швидкістю світла.

Енергія середнього поля та утворення бульбашок. Джерело: Nature Physics

Команда вчених з Італії та Великої Британії створила модель цього явища, використавши газ атомів натрію-23 (Na-23), охолоджений майже до абсолютного нуля. В такому стані речовина утворює феромагнітний надплинний конденсат, який можна налаштувати так, щоб він поводився як “хибний вакуум”. Під дією мікрохвильового випромінювання дослідники створили подвійну енергетичну “ямку”, де система перебувала в нестійкому стані, а потім спостерігали утворення “міхура” — аналога переходу до істинного вакууму.

Експеримент показав, що утворення міхура має експоненційну залежність від часу, як і передбачають теоретичні моделі. Дослідники зафіксували, як частина атомного газу “перемикалася” в інший спіновий стан, формуючи область із нижчою енергією — лабораторний аналог космічного переходу. Залежно від параметрів, “міхур” утворювався за кілька мілісекунд або сотні мілісекунд, що повністю узгоджується з розрахунками на основі рівняння Гросса–Пітаєвського.

Автори підкреслюють, що ці результати не становлять загрози для Всесвіту, але мають величезне значення для розуміння метастабільності, фазових переходів і квантових флуктуацій, які могли формувати ранній космос. “Ми вперше змогли експериментально простежити процес, який до цього існував лише у рівняннях, — зазначив провідний автор Г. Феррарі. — Це крок до того, щоб об’єднати космологію і лабораторну фізику в одному науковому полі.”