Правда, что мы живем в ложном вакууме и если он станет настоящим, Вселенная погибнет?

Время от времени в прессе появляются панические статьи о том, что наш мир может погибнуть в результате «распада ложного вакуума», то есть мгновенного превращения нашего обычного вакуума в вакуум истинный, в результате чего Вселенная исчезнет. О том, чем эти два вакуума отличаются и действительно ли мир может исчезнуть, N + 1 рассказывает совместно с проектом Яндекс.Кью.

Элементарные частицы в квантовой теории поля описываются не как микроскопические твердые шарики, не как материя, а как колебания квантовых полей. Как и любая другая физическая система, поле стремится минимизировать свою энергию, избавиться от лишних частиц и «скатиться» в самое энергетически выгодное состояние. В теоретической физике такое состояние принято называть вакуумом. Вопреки своему названию такой вакуум не является пустым — на самом деле в нем постоянно рождаются и умирают виртуальные пары частица-античастица. Однако энергия такого «бульона» из виртуальных частиц все-таки меньше, чем энергия «супа» с примесью частиц настоящих.

Для большинства полей, которые описывает Стандартная модель, энергетически выгодно скатиться в такое вакуумное, нулевое состояние — графически такой потенциал выглядит как ямка, которая симметрична относительно оси, проходящей через начало координат.

Однако для поля Хиггса это не так: его потенциал напоминает скорее «мексиканскую шляпу», чем «ямку», и более выгодным становится отличное от нуля положение. В результате все пространство оказывается пронизано полем постоянной напряженности, которое мешает частицам ускоряться и придает им массу — то есть полем Хиггса. По современным представлениям, на больших энергиях потенциал поля Хиггса загибается вниз, чтобы образовать вторую ямку, расположенную ниже той ямки, в которой мы живем. Хотя обе ямки разделяет высокий потенциальный барьер, поле может протуннелировать через него и свалиться в более выгодное состояние, лежащее в области гораздо больших энергий (порядка 10¹² тераэлектронвольт). Поэтому наш вакуум считается «ложным», то есть не отвечающим настоящему минимуму поля Хиггса.

Как предсказывает теория, в некоторых случаях может произойти спонтанный переход Вселенной из ложного вакуума в истинный (так называемый «распад ложного вакуума»), при этом будет выделяться огромная энергия.

Обычно этот переход описывают как спонтанное образование пузырьков истинного вакуума в ложном. При благоприятных условиях эти пузыри будут бесконечно расширяться, а при неблагоприятных — схлопываться. Это напоминает кипение воды, только вместо пузырьков пара мы имеем дело с истинным вакуумом. В частности, именно поэтому некоторые люди боятся экспериментов на LHC — они считают, что эти эксперименты могут вызвать подобный переход.

В действительности такие опасения не очень основательны, поскольку энергии, достигаемые на коллайдере малы — их недостаточно для появления пузырей истинного вакуума. Кроме того, при известных нам параметрах Стандартной модели время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной, то есть в рамках этой модели наш вакуум является метастабильным — то есть для нас он не отличается от истинного.

Некоторые теоретики предсказывают, что в определенных ситуациях распад ложного вакуума может ускоряться. Например, вокруг черной дыры пространство-время сильно искривляется, и правила подсчета энергии ложного вакуума несколько изменяются, что должно увеличивать вероятность распада. При этом чем меньше черная дыра, тем проще вокруг нее образуются пузырьки и тем больше вероятность распада. С другой стороны, мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, что указывает либо на отсутствие таких черных дыр, либо на недостатки в наших теориях, либо на наше невероятное везение.

Подробнее узнать, что такое распад ложного вакуума, чем он грозит нашей Вселенной и как с этим связаны черные дыры, можно в нашем материале, подготовленном вместе с физиком-теоретиком Филиппом Бурдой.