Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Теоретически он может быть вызван несколькими причинами. Самой очевидной является некое высокоэнергетическое событие, которое можно представить в виде землетрясения, выбивающего камешек из углубления в склоне и позволяющего ему отправиться на дно долины.

К счастью, «землетрясение» такой невообразимой силы маловероятно. По нашим оценкам, это событие должно быть гораздо более высокоэнергетическим, чем самые разрушительные из наблюдаемых нами космических взрывов, и безусловно на много порядков превосходить все то, что мы способны устроить с помощью таких созданных человеком машин, как Большой адронный коллайдер. Если у нас когда-либо опять возникнут подобные опасения, мы всегда можем вновь сослаться на тот факт, что столкновения частиц в космосе достигают и всегда достигали гораздо более высоких уровней энергий, чем те, которые способен обеспечить БАК или любая другая машина. Раз уж мы пережили их последствия, значит, наши современные ускорители частиц точно не представляют никакой опасности.

Сложность вызова события, обладающего достаточно высокой энергией для инициирования распада вакуума, обусловлена высотой потенциального барьера между ложным и истинным вакуумом. Если вернуться к аналогии с камешком, застрявшим в углублении склона долины, то потенциальный барьер – это выступающая кочка, придающая этому углублению форму кармана. Согласно нашему лучшему предположению относительно формы потенциала поля Хиггса, этот карман довольно глубок и отделен от минимума, соответствующего истинному вакууму, высоким горным хребтом. Количество энергии, которое потребовалось бы для того, чтобы перебросить камешек через хребет (или заставить поле Хиггса преодолеть его потенциальный барьер), настолько велико, что об этом не стоит беспокоиться.

Вот только… мы живем во Вселенной, которая не подчиняется подобным правилам. В основе нашего космоса лежит квантовая механика, а она говорит о том, что если вы существуете в субатомном масштабе, путь, по которому вы добираетесь из одного места в другое, изредка может быть проложен прямо сквозь твердые объекты. Если вы стоите перед стеной, то вместо того, чтобы перепрыгивать через нее, вы можете просто пройти насквозь. Особенно если вы являетесь полем Хиггса.

Туннелирование в бездну

Идея квантового туннелирования может показаться научно-фантастической или сугубо теоретической концепцией, с которой забавляются физики, записывая непонятные уравнения. Квантовая механика действительно говорит о том, что мы никогда не можем точно определить, где находится частица или по какой траектории она движется. Поэтому для того, чтобы математика сработала, нужно выполнить вычисления для всех траекторий, включая самые странные, предполагающие, что частица перемещается из одной части лаборатории в другую через кофейню, находящуюся в другом городе. Однако это не значит, что частица действительно так делает, верно?

Оказалось, что на вопрос о том, как на самом деле ведет себя частица, ответить очень трудно. Именно поэтому ученые на протяжении многих десятилетий спорили по поводу интерпретаций квантовой механики. То, как частица путешествует между точками А и Б, по-прежнему остается в некотором смысле загадкой, как и то, почему, будучи небольшим локализованным объектом, частица подчиняется математике, описывающей распространяющиеся в пространстве волны.

Тем не менее данные, с которыми согласны все, очень ясно дают понять, что туннелирование сквозь, казалось бы, непроходимые барьеры случается регулярно. Если уж частица оказалась зажатой в каком-то промежутке, стена ее не остановит. Подобное мастерство побега настолько характерно для частиц, что люди, разрабатывающие такие устройства как сотовые телефоны и микропроцессоры, вынуждены учитывать вероятность, что какой-нибудь электрон может внезапно материализоваться на другой стороне чипа. Это свойство даже применяется в некоторых технологиях, включая флеш-память. А сканирующие туннельные микроскопы используют так называемый туннельный ток для получения изображений отдельных атомов исследуемой поверхности.

Свойство электронов перепрыгивать через короткие промежутки или протискиваться сквозь изоляционные барьеры может показаться хорошим трюком, однако все становится гораздо более зловещим, когда вы понимаете, что на квантовое туннелирование способны не только частицы, но и поля. Например, поле Хиггса, отделенное от состояния истинного вакуума потенциальным барьером, может туннелировать прямо в него. Как только вы это осознаете, единственная граница, отделяющая нашу гостеприимную Вселенную от тотальной космической катастрофы, покажется вам гораздо менее солидной.

Хорошая (в некотором роде) новость заключается в том, что даже такое странное событие, как квантовое туннелирование, следует определенным правилам, по крайней мере, когда речь идет об ожидаемой частоте его наступления.

Вероятность туннелирования зависит от физических характеристик системы, а это означает, что вероятность наступления такого события в течение заданного периода времени можно достаточно точно определить. Разумеется, на это способен далеко не каждый. Но какой бы сложной ни была квантовая механика для понимания или интерпретации, она, по крайней мере, позволяет производить расчеты.

Однако эти расчеты не дают нам ничего более определенного, чем оценка вероятности. Мы не можем с уверенностью заявить, что поле Хиггса не туннелирует из ложного вакуума в истинный и не создаст квантовый пузырь смерти прямо рядом с вами в течение следующих 30 секунд, запустив процесс всеобщего уничтожения. Мы можем сказать лишь то, что такой сценарий крайне маловероятен. (Во всяком случае, в части «следующих 30 секунд». Если наш вакуум действительно является метастабильным, то, строго говоря, этот пузырь однажды должен возникнуть.)

Согласно лучшим из имеющихся оценок, наш уютный вакуум вряд ли подвергнется радикальному изменению в ближайшее время, – на момент написания книги этот период оценивался в 10100 лет. К тому времени мы, вероятно, будем находиться в процессе тепловой смерти, а если нам совсем не повезет, – переживать Большой разрыв. В последнем случае мгновенное безболезненное уничтожение может показаться не таким уж плохим вариантом.

Итак, технически я не могу утверждать, что распад вакуума не может произойти в любой момент. Я также не могу сказать наверняка, что это уже не случилось где-то в Солнечной системе, в другой части Млечного Пути или в другой галактике и не породило расширяющийся со скоростью света пузырь, тихо приближающийся к нам прямо сейчас. Однако если паранойя все-таки не дает вам покоя, я могу заверить вас в том, что у вас гораздо больше шансов быть пораженным молнией, попасть под машину, сгинуть под копытами разбушевавшегося быка или получить по голове метеоритом, чем столкнуться с пузырем истинного вакуума.

Но есть еще одно обстоятельство.

Мы уже сказали, что не можем вызвать распад вакуума, сталкивая частицы высокой энергии, а спонтанное туннелирование настолько маловероятно, что нам, пожалуй, стоит просто забыть о нем. Однако недавно физики описали еще один вариант уничтожения Вселенной вследствие распада вакуума и, надо сказать, довольно интересный.