Вселенная может оставаться в нынешнем состоянии благодаря квантовому эффекту, который исследуют и при защите хрупкой информации в квантовых компьютерах. К такому выводу пришли ученые, изучив поведение квантового поля во время стремительного расширения ранней Вселенной.
Работа посвящена проблеме ложного вакуума — состояния, которое выглядит устойчивым, хотя не является самым энергетически выгодным. Квантовая механика допускает самопроизвольный переход поля из такого состояния в более глубокое, что могло бы изменить фундаментальные свойства космоса. Исследование опубликовано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, а о результатах сообщила Syracuse University.
Одним из возможных кандидатов на пребывание в ложном вакууме считается поле Хиггса, благодаря которому элементарные частицы, включая электроны, обладают массой. Если бы оно перешло в состояние с меньшей энергией, могли бы измениться свойства частиц и взаимодействий во всей Вселенной. Новая модель показывает, что подобный переход может быть значительно менее вероятным, чем предполагалось.
Ученые рассмотрели квантовое поле не изолированно, а во взаимодействии с окружающей средой. Такие процессы изучает направление, известное как теория открытых квантовых систем. По расчетам исследователей, взаимодействие уносит информацию о поле в окружающее пространство, из-за чего исчезает интерференция между возможными исходами — происходит декогеренция.
В изученном режиме потеря интерференции одновременно подавляет способность поля к квантовому туннелированию. Этот механизм напоминает квантовый эффект Зенона, при котором постоянное наблюдение препятствует переходу системы из одного состояния в другое. Авторы назвали обнаруженное космологическое проявление «космической блокировкой».
Процесс, по их описанию, проходит в две стадии. Сначала расширение Вселенной влияет на то, какое из двух энергетических состояний предпочтет поле: тяжелые поля чаще стремятся к состоянию с минимальной энергией, а легкие могут распределяться между вариантами более равномерно. Затем декогеренция закрепляет уже сформировавшийся результат, однако исследование не доказывает вечную стабильность нынешнего состояния Вселенной и не позволяет определить точную вероятность распада поля Хиггса.
Для окончательной оценки ученым потребуется учесть дополнительные обстоятельства, включая изменение темпов космического расширения и влияние самого поля на гравитацию. Авторами работы стали постдокторант Сиракузского университета Грегори Капланек, работающий в лаборатории доцента Джейсона Поллака, а также Робсон Кристи и Джау Джу из Портсмутского университета, Венсан Веннен из Лаборатории физики Высшей нормальной школы и Дэвид Уэндс из Портсмутского университета. Капланек и Поллак входят в Институт квантовых и информационных наук Сиракузского университета.