Распад ложного вакуума

Эта статья представлена ​​в виде списка , но может читаться лучше как проза . Вы можете помочь, преобразовав эту статью , если это необходимо. Доступна помощь по редактированию . ( Сентябрь 2020 г. )

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Эпоха кварков Адронная эпоха Эпоха лептона Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные века Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение  · Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Хронология далекого будущего Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок Распад ложного вакуума Маленький Рип Распад протона Виртуальная черная дыра
Компоненты  · Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Вырожденная материя Нейтроний КХД имеет значение Странное дело Отрицательное вещество Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темной материи Темное излучение Темная жидкость Темный поток Зеркальная материя Состав Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Мультивселенная Вселенная Наблюдаемая Вселенная Объем Хаббла Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновой датчик анизотропии Уилкинсона (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Гут Хокинг Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Smoot Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволнового фонового излучения История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теории большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал
v т е

В квантовой теории поля , А ложный вакуум ^[1] является гипотетическим вакуумом , который активно не разлагается, но несколько еще не вполне стабильный ( «метастабильный»). ^[2] Это может длиться очень долго в этом состоянии (свойство, известное как метастабильность ), и может в конечном итоге перейти в более стабильное состояние, событие, известное как ложный распад вакуума или событие метастабильности вакуума . Наиболее распространенное предположение о том, как такое изменение может произойти, называется зарождением пузырей - если небольшая область Вселенной случайно достигнет более стабильного вакуума, этот «пузырь» (также называемый «отскоком») ^{[3] [4]} распространился бы. .

Ложное вакуум существует на локальный минимум в энергии и, следовательно , не стабильна, в отличие от истинного вакуума, который существует в глобальном минимуме и является стабильной.

Определение истинного и ложного вакуума [ править ]

Вакуума определяется как пространство с минимальным количеством энергии в нем , как это возможно. Несмотря на название, в вакууме все еще есть квантовые поля . Истинный вакуум стабилен, потому что он находится на глобальном минимуме энергии, и обычно считается, что он совпадает с состоянием физического вакуума, в котором мы живем. Возможно, что состояние физического вакуума представляет собой конфигурацию квантовых полей, представляющих локальный минимум, но не глобальный минимум энергии. Этот тип состояния вакуума называется «ложным вакуумом».

Последствия [ править ]

Угроза существованию [ править ]

Если могло возникнуть более стабильное состояние вакуума , которое называется ложным распадом вакуума или событием метастабильности вакуума ^{[5] [6],} эффекты могут варьироваться от полного прекращения существующих фундаментальных сил , элементарных частиц и структур, составляющих их, до тонких изменений. в некоторых космологических параметрах, в основном в зависимости от разницы потенциалов между истинным и ложным вакуумом. Некоторые сценарии распада ложного вакуума совместимы с выживанием таких структур, как галактики и звезды ^{[7] [8]} или даже с биологической жизнью ^{[9], в} то время как другие предполагают полное разрушение барионной материи ^[10] или даже немедленноегравитационный коллапс Вселенной ^[11], хотя в этом последнем случае возможность причинно связать (т.е. зародить) ^{[ требуется разъяснение ]} истинный вакуум изнутри области ложного вакуума сомнительна. ^[12]

В статье 2005 года, опубликованной в журнале Nature , в рамках своего исследования глобальных катастрофических рисков физик из Массачусетского технологического института Макс Тегмарк и оксфордский философ Ник Бостром подсчитали естественный риск разрушения Земли менее чем на 1 гига год для всех событий, включая переход в более низкое вакуумное состояние. Они утверждают, что из-за эффектов отбора наблюдателя мы можем недооценить шансы быть разрушенными в результате распада вакуума, потому что любая информация об этом событии достигнет нас только в тот момент, когда мы тоже были уничтожены. Это контрастирует с такими событиями, как риски от ударов, гамма-всплесков , сверхновых иhypernovae , частоты которых у нас есть адекватные прямые измерения. ^[13]

Распад ложного вакуума может произойти через 20-30 миллиардов лет, если поле бозона Хиггса будет метастабильным. ^{[14] [15] [16]}

Инфляция [ править ]

Ряд теорий предполагает, что космическая инфляция может быть результатом распада ложного вакуума в истинный вакуум. Сама инфляция может быть следствием захвата поля Хиггса в состоянии ложного вакуума ^[17] с самосвязью Хиггса λ и его функцией β _λ, очень близкой к нулю в планковском масштабе . ^{[18] : 218} Будущий электрон-позитронный коллайдер сможет обеспечить точные измерения топ-кварка, необходимые для таких вычислений. ^[18]

Теория хаотической инфляции предполагает, что Вселенная может находиться либо в ложном вакууме, либо в истинном вакууме. Алан Гут , в своем первоначальном предложении по космической инфляции , ^[19] предположил , что инфляция может закончиться через квантовомеханические пузырь из рода описан выше . См. Историю теории хаотической инфляции . Вскоре стало понятно, что однородная и изотропная Вселенная не может быть сохранена с помощью бурного процесса туннелирования. Это привело Андрей Линде ^[20] и, независимо друг от друга, Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт , ^[21] предложить «новую инфляцию» или «медленную инфляцию», при которой туннелирование не происходит, а инфляционное скалярное поле вместо этого отображается как пологий наклон.

В 2014 году исследователи из Китайской академии наук Ухань Институт физики и математики предположил , что Вселенная могла спонтанно создана из ничего (нет пространства , времени , ни материи ) по квантовым флуктуациям метастабильного ложного вакуума вызывает расширяющийся пузырь верно вакуум. ^[22]

Разновидности вакуумного распада [ править ]

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Октябрь 2020 г. )

Распад электрослабого вакуума [ править ]

Критерии устойчивости электрослабого взаимодействия были впервые сформулированы в 1979 г. ^[23] как функция масс теоретического бозона Хиггса и наиболее тяжелого фермиона . Открытие Top-кварка в 1995 году и бозона Хиггса в 2012 году позволило физикам проверить критерии на соответствие эксперименту, поэтому с 2012 года электрослабое взаимодействие считается наиболее многообещающим кандидатом на метастабильную фундаментальную силу . ^[18] Соответствующая гипотеза ложного вакуума называется либо «нестабильностью электрослабого вакуума», либо «нестабильностью вакуума Хиггса». ^[24]Настоящее состояние ложного вакуума называется ( пространство Де Ситтера ), а предварительный истинный вакуум называется ( пространство Анти-де Ситтера ). ^{[25] [26]}${\ displaystyle dS}$${\ displaystyle AdS}$

Диаграммы показывают диапазоны неопределенности масс бозона Хиггса и топ-кварка в виде линий овальной формы. Цвета, лежащие в основе, показывают, будет ли состояние электрослабого вакуума стабильным, просто долгоживущим или полностью нестабильным для данной комбинации масс. ^{[27] [28]} Гипотеза «распада электрослабого вакуума» иногда ошибочно принималась за то, что бозон Хиггса «положил конец» Вселенной. ^{[29] [30] [31]} 125,18 ± 0,16 ГэВ / c 2  ^[32] Масса бозона Хиггса, вероятно, находится на метастабильной стороне границы стабильно-метастабильного состояния (по оценкам в 2012 году 123,8–135,0 ГэВ . ^[18]) Тем не менее, окончательный ответ требует гораздо более точных измерений верхнего кварка полюса массы , ^[18] , хотя улучшенная точность измерения хиггсовского бозона и верхних масс кварков дополнительно усилено требование физической электрослабой вакуумы , находящихся в метастабильном состоянии по состоянию на 2018. ^{[ 4]} Тем не менее, новая физика, выходящая за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, может радикально изменить линии разделения ландшафта стабильности, сделав неверными предыдущие критерии стабильности и метастабильности. ^{[33] [34]}

Если измерения бозона Хиггса и топ-кварка предполагают, что наша Вселенная находится в ложном вакууме такого типа, это будет означать, что более чем вероятно через многие миллиарды лет ^[35] эффекты пузыря распространятся по Вселенной почти на скорость света от его источника в пространстве-времени.

Другие режимы распада [ править ]

• Распад до меньшего значения Вакуумного ожидания , что приводит к уменьшению эффекта Казимира и дестабилизации протона . ^[10]
• Распад в вакуум с большей массой нейтрино (возможно, произошло относительно недавно ^{[ когда? ]} ). ^[7]
• Распад в вакууме без темной энергии . ^[8]

Зарождение пузырей [ править ]

Когда ложный вакуум распадается, истинный вакуум с меньшей энергией образуется в результате процесса, известного как зарождение пузырьков . ^{[36] [37] [38] [39] [40] [3]} В этом процессе инстантонные эффекты вызывают появление пузыря, содержащего настоящий вакуум. Стенки пузырька (или доменные стенки ) имеют положительное поверхностное натяжение , поскольку энергия расходуется, когда поля проходят через потенциальный барьер в истинный вакуум. Первый стремится как куб радиуса пузыря, а второй пропорционален квадрату его радиуса, поэтому существует критический размер.${\ displaystyle R_ {c}}$при которой полная энергия пузыря равна нулю; более мелкие пузыри имеют тенденцию сокращаться, а более крупные - увеличиваться. Чтобы образоваться, пузырек должен преодолеть энергетический барьер высотой ^[3]

${\ displaystyle \ Phi _ {c} = {\ frac {3 \ gamma} {4R ^ {2}}} - \ Delta \ Phi,}$

( Уравнение 1 )

где - разница в энергии между истинным и ложным вакуумом, - неизвестное (возможно, чрезвычайно большое) поверхностное натяжение доменной стенки, - радиус пузыря. Переписывая уравнение. 1 дает критический радиус как${\ displaystyle \ Delta \ Phi}$${\ displaystyle \ gamma}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle R_ {c} = {\ sqrt {\ frac {3 \ gamma} {4 \ Delta \ Phi}}}.}$

( Уравнение 2 )

Пузырь меньше критического размера может преодолеть потенциальный барьер с помощью квантового туннелирования от инстантон снизить энергетические состояния. Для большого потенциального барьера скорость туннелирования на единицу объема пространства определяется выражением ^[41]

${\displaystyle \omega \approx {\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2\Phi _{c}}{\hbar }}}e^{-\Phi _{c}/\hbar },}$

( Уравнение 3 )

где - приведенная постоянная Планка . Как только пузырек вакуума с более низкой энергией вырастает за пределы критического радиуса, определяемого формулой 2 , стенка пузыря начнет ускоряться наружу. Из-за типично большой разницы в энергии между ложным и истинным вакуумом скорость стены очень быстро приближается к скорости света. Пузырь не производит никаких гравитационных эффектов, потому что отрицательная плотность энергии внутри пузыря компенсируется положительной кинетической энергией стенки. ^[11]${\displaystyle \hbar }$

Маленькие пузырьки настоящего вакуума можно надуть до критических размеров, обеспечивая энергию ^[42], хотя требуемые плотности энергии на несколько порядков больше, чем достигаются в любом естественном или искусственном процессе. ^[10] Также считается, что определенные среды могут катализировать образование пузырьков, снижая потенциальный барьер. ^[43]

Семена зарождения [ править ]

В исследовании 2015 г. ^[43] было указано, что скорость распада вакуума может быть значительно увеличена вблизи черных дыр, которые будут служить зародышем зародышеобразования . ^[44] Согласно этому исследованию, потенциально катастрофический распад вакуума может быть спровоцирован первобытными черными дырами в любое время , если они существуют. Однако авторы отмечают, что если первичные черные дыры вызывают ложный коллапс вакуума, то это должно было произойти задолго до того, как люди эволюционировали на Земле. Последующее исследование, проведенное в 2017 году, показало, что пузырь схлопнется в изначальную черную дыру, а не возникнет из нее, либо в результате обычного коллапса, либо в результате искривления пространства таким образом, что он разорвется в новую вселенную. ^[45]В 2019 году было обнаружено, что, хотя небольшие невращающиеся черные дыры могут увеличивать истинную скорость зародышеобразования в вакууме, быстро вращающиеся черные дыры стабилизируют ложный вакуум, чтобы скорость распада была ниже, чем ожидалось для плоского пространства-времени. ^[46] Предлагаемые альтернативные зародыши зародышеобразования включают космические струны ^[47] и магнитные монополи . ^[10]

Если столкновения частиц образуют мини-черные дыры, тогда энергетические столкновения, подобные тем, которые производятся на Большом адронном коллайдере (LHC), могут вызвать такое событие распада вакуума, сценарий, который привлек внимание средств массовой информации. Это, вероятно, будет нереалистично, потому что, если такие мини-черные дыры могут быть созданы при столкновениях, они также будут созданы при гораздо более энергичных столкновениях частиц космического излучения с поверхностями планет или в течение ранней жизни Вселенной как предварительные первичные черные дыры. . ^[48] Хат и Рис ^[49] отмечают, что, поскольку космические лучистолкновения наблюдались при гораздо более высоких энергиях, чем те, которые производятся на земных ускорителях частиц, эти эксперименты не должны, по крайней мере в обозримом будущем, представлять угрозу для нашего нынешнего вакуума. Ускорители частиц достигли энергии только приблизительно восемь тера электрон - вольт (8 × 10 ¹² эВ). Столкновения космических лучей наблюдались при энергиях 5 × 10 ¹⁹ эВ и выше , что в шесть миллионов раз мощнее - так называемый предел Грейзена – Зацепина – Кузьмина - а космические лучи вблизи источника могут быть еще более мощными. Джон Лесли утверждал ^[50]что если нынешние тенденции сохранятся, ускорители заряженных частиц будет превышать энергию , выделяющуюся в естественных столкновений космических лучей в год 2150. Опасения такого рода были подняты критиками как релятивистский коллайдер тяжелых ионов и Большого адронного коллайдера в момент их соответствующее предложение и признано необоснованным в результате научного расследования.

Распад ложного вакуума в художественной литературе [ править ]

Событие ложного распада вакуума иногда используется в качестве сюжета в работах, изображающих событие судного дня .

• 1988 Джеффри А. Лэндис в его научно-фантастическом рассказе « Вакуумные государства» ^[51]
• 2000 Стивен Бакстер в его научно-фантастическом романе « Время» ^[52]
• 2002 Грег Иган в его научно-фантастическом романе «Лестница Шильда»
• 2008 Кодзи Судзуки в его научно-фантастическом романе EDGE
• 2015 г. - Аластер Рейнольдс в своем научно-фантастическом романе «Поминки Посейдона».
• 2015 Филип П. Петерсон в его научно-фантастическом романе « Парадокс».

См. Также [ править ]

• Вечная инфляция
• Переохлаждение  - снижение температуры жидкости или газа ниже точки замерзания без превращения их в твердое тело.
• Перегрев
• Пустота  - огромные пустые пространства между нитями с небольшим количеством галактик или без них.

Заметки [ править ]

^ Примечание 1 В статье Коулмана и де Луччиа, в которой предпринята попытка включить простые гравитационные предположения в эти теории, отмечалось, что если бы это было точное представление о природе, то получившаяся вселенная «внутри пузыря» в таком случае казалась бы чрезвычайно нестабильной. и почти сразу рухнет:

В общем, гравитация снижает вероятность распада вакуума; в крайнем случае очень небольшой разницы в плотности энергии он может даже стабилизировать ложный вакуум, полностью предотвращая распад вакуума. Мы считаем, что понимаем это. Чтобы вакуум распался, необходимо создать пузырь с нулевой полной энергией. В отсутствие гравитации это не проблема, независимо от того, насколько мала разница в плотности энергии; все, что нужно сделать, - это сделать пузырек достаточно большим, и соотношение объема и поверхности сделает свою работу. Однако в присутствии гравитации отрицательная плотность энергии истинного вакуума искажает геометрию внутри пузырька, в результате чего при достаточно малой плотности энергии пузырька с достаточно большим отношением объема к поверхности не существует. Внутри пузыря влияние гравитации более драматично.Геометрия пространства-времени внутри пузыря - это геометрияпространство анти-де Ситтера, пространство , очень похожее на обычное пространство де Ситтера, за исключением того, что его группа симметрий O (3, 2), а не O (4, 1). Хотя это пространство-время свободно от сингулярностей, оно нестабильно при малых возмущениях и неизбежно подвергается гравитационному коллапсу того же типа, что и конечное состояние сжимающейся вселенной Фридмана . Время, необходимое для коллапса внутренней вселенной, составляет порядка ... микросекунд или меньше.

Возможность того, что мы живем в ложном вакууме, никогда не вызывала одобрения. Распад вакуума - крайняя экологическая катастрофа; в новом вакууме появляются новые константы природы; После распада вакуума не только жизнь, которую мы знаем, невозможна, но и химия в том виде, в каком мы ее знаем. Однако всегда можно было найти стоическое утешение в возможности того, что, возможно, с течением времени новый вакуум будет поддерживать, если не жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, по крайней мере, некоторые структуры, способные познавать радость. Теперь эта возможность исключена.

Второй частный случай - это распад в пространство исчезающей космологической постоянной, случай, который применим, если мы сейчас живем в обломках ложного вакуума, распавшегося в некую раннюю космическую эпоху. Этот случай представляет нам менее интересную физику и меньше поводов для риторических эксцессов, чем предыдущий. Теперь внутренность пузыря - обычное пространство Минковского  ...

-  Сидни Коулман и Фрэнк Де Лучча

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Иоганн Рафельски и Берндт Мюллер (1985). Структурированный вакуум - ни о чем не думать . Харри Дойч. ISBN 978-3-87144-889-8.
• Сидни Коулман (1988). Аспекты симметрии: Избранные лекции Эриче . ISBN 978-0-521-31827-3.

Внешние ссылки [ править ]

• Пакет SimpleBounce вычисляет евклидово действие для решения отскока, которое способствует распаду ложного вакуума.
• Бесплатная копия книги «Структурированный вакуум - ни о чем не думать » Иоганна Рафельски и Берндта Мюллера (1985) ISBN 3-87144-889-3 . 
• Вечность пузырей? по Алан Гут
• Распад ложного вакуума по Sten Оденвальде
• Моделирование распада ложного вакуума путем зарождения пузырьков на YouTube - Джоэл Тораринсон