A világegyetem hamis vákuumállapotban létezhet, és hatalmas vákumbuborékok pusztíthatják el
Az úgynevezett hamis vákuum elmélete az 1970-es évekig nyúlik vissza, amikor Sidney Coleman, amerikai elméleti fizikus publikálta tanulmányát a kvantumtérelmélet területéhez tartozó témáról, ami a világegyetem állapotáról sajátos képet fest.
Coleman elképzelése szerint az univerzum egy metastabil helyzetben létezik, egy úgynevezett hamis vákuumállapotban, amit bizonyos körülmények között felválthat a valódi vákuum állapota,
vagyis az az állapot, amely felé természeténél fogva “törekszik” az univerzum, mivel ez a valódi vákuum jelenti a legkisebb energiaállapotát, tehát a legstabilabb pozíciót.
“A klasszikus térelméletben lehetséges két homogén, stabil egyensúlyi állapot létezése eltérő energiasűrűséggel. Az elmélet kvantumos változatában a nagyobb energiasűrűségű állapot a potenciálgáton való áthatolás révén instabillá válik; ez egy hamis vákuum.” - kezdi magyarázatát a fizikus 1977-ben megjelent tanulmányában. A hamis vákuumból a valódi vákuumállapotba való átmenetet a folyadékok forrásával hozza párhuzamba - a hamis vákuum ebben az esetben a túlhevített folyadék állapotához hasonló, míg a valódi vákuum ahhoz a fázishoz, amikor a folyadékból pára keletkezik.
“A termodinamikai fluktuációk a párafázis buborékjainak megjelenését okozzák a folyadékfázisban.”
- mondja Coleman. Ha a buborékok túl kicsik, semmivé lesznek, mert csak azok a buborékok tudnak folyamatosan növekedni, és a folyadékot párává változtatni, amelyek elég méretesek ahhoz, hogy energetikaliag előnyösebb legyen számukra a növekedés. A hamis vákuum esetében ezeket a termodinamikai ingadozásokat kvantumfluktuációk váltják fel, és a valódi vákuum buborékjai formálódnak, amelyek - ha elég nagyok hozzá - hatalmasra nőnek, és az univerzumon végigszáguldva átváltoztatják a hamis vákuumot valódi vákuummá az egész kozmoszban. Ez az általunk ismert univerzum végét jelentené: a fizikai állandók megváltozását, és a világ kártyavárként való összeomlását.
“Semmiképpen sem lesz zökkenőmentes átmenet. Ehelyett a világegyetem szerkezetének katasztrofális megváltozásával járhat, egy kozmikus csapással.”
- magyarázza az Ausztriai Tudományos és Technológiai Intézet (ISTA).
Az ISTA kutatói, a Leedsi Egyetem és a Forschungszentrum Jülich munkatársaival együttműködésben, nemrégen ezt a kozmikus szerencsétlenséget modellezték kvantumszámítógép segítségével, hogy kiderüljön, hogyan is nézhetne ki a különleges folyamat. A kísérlethez a D-Wave cég által fejlesztett, 5564 qubitos kvantum annealert használták, amit eredetileg optimalizációs célokra alakítottak ki. Az annealer a kvantumszámítógépek speciális típusa, ami annyiban tér el a kvantum logikai kapukkal működő, kevesebb qubittal dolgozó, de átfogóbb munkákra képes kvantumszámítógépektől, hogy elsősorban optimalizációra fejlesztették, ehhez a rendszer kvantumbitjeit a lehető legalacsonyabb energiaállapotba, az energiaminimum állapotába helyezik egy, a megoldandó problémát szimuláló környezetben.
“Ha az 5564 qubitet először a hamis vákuumot reprezentáló meghatározott konfigurációkba helyezzük, akkor gondosan szabályozhatjuk a feltételeket, hogy kiváltsuk a valódi vákuumot modellező buborékok kialakulását. A buborékképződés a hamis vákuum bomlásának első lépése.”
- mondta el Jean-Yves Desaules, a kutatás résztvevője.
A kísérlet során a kutatók felfedezték, hogy a buborékok keletkezése nem egészen az elvárások szerint alakul: a nagyobb buborékok nem nőnek akadálytalanul, hanem “megfagynak”, és csak egy másik buborékkal való kapcsolódás löki őket az aktivitás irányába. Ekkor az egyik buborék megnő, a másik kisebb lesz, és megfelelően kis méretben szabadon kezdenek mozogni.
“Eredményeink a hamis vákuum dinamikájának egy új fizikai képét adják.
A mechanizmust elképzelhetjük buborékok heterogén gázaként, ahol a nagyobb, nehezebb buborékok közvetlenül kölcsönhatásba lépnek egymással, míg a kisebb, könnyebb buborékok szabadon pattognak.” - mondta el Desaules.
A kutatás tehát rávilágított, hogy a hamis vákuum buborékjai nem az eddigi elméletek szerint működnek, korábban ugyanis inkább azt feltételezték, hogy a buborékok elszigetelt kvantumos alagúteffektus-eseményeken mennek keresztül, majd ezt követően klasszikus módon növekednek.
(Fotó: Zlatko Papic)
