Ложный вакуум: почему наша Вселенная может быть нестабильна

Есть вопросы, которые человечество задает себе с момента зарождения науки: как возникла Вселенная, из чего она состоит и каким образом она перестанет существовать? Последний вопрос долгое время был уделом философов и богословов. Физика предлагала сценарии вроде тепловой смерти или Большого сжатия, но в конце XX века появилась новая гипотеза, которая затмила их своей драматичностью и одновременно пугающей вероятностью. Речь идет о распаде ложного вакуума. Этот сценарий не предполагает ни столкновения с другим объектом, ни внешнего воздействия. Он предполагает, что наша реальность может быть уничтожена изнутри самой собой, причем в любой момент, без какого либо предупреждения. Но чтобы понять, почему физики всерьез рассматривают такую возможность, нужно начать с самого фундаментального понятия в современной физике: с понятия вакуума.

Когда обычный человек слышит слово «вакуум», он представляет себе пустоту. Пустое пространство, где нет ничего: ни воздуха, ни материи, ни частиц. В этом представлении нет ничего удивительного, оно проистекает из повседневного опыта. Однако квантовая теория поля, которая является основой нашего понимания микромира, утверждает совершенно иное. Вакуум в квантовой физике это не пустота. Это состояние квантового поля, в котором энергия минимальна. Но минимальна не означает равна нулю. Более того, у этой минимальной энергии могут быть разные уровни, подобно тому, как мяч, брошенный в горную долину, может остановиться на разной высоте в зависимости от рельефа.

Чтобы представить это, вообразите огромную гористую местность. Горы, холмы, плато, глубокие ущелья. Это ландшафт потенциальной энергии какого либо фундаментального поля, например поля Хиггса. В такой местности есть точки, которые являются самыми низкими из всех возможных. Это дно самых глубоких ущелий. Если мяч (или поле) оказывается там, он находится в состоянии устойчивого равновесия. Чтобы его оттуда сдвинуть, нужно затратить энергию, а любое случайное отклонение будет возвращать его обратно. Это истинный вакуум, глобальный минимум энергии. Но на этом ландшафте могут существовать и другие углубления, которые расположены выше, на склонах гор. Это ложбины, которые тоже выглядят как устойчивые положения. Мяч, попавший в такую ложбину, тоже не будет из нее выкатываться сам по себе, потому что вокруг него есть возвышающиеся края. Однако эта ложбина находится не на самом дне ущелья, а выше. Это ложный вакуум, локальный минимум энергии. В нем поле может пребывать сколь угодно долго, оставаясь внешне стабильным, но на самом деле его состояние является метастабильным. Оно стабильно лишь до тех пор, пока не произойдет нечто, что позволит полю преодолеть окружающий его барьер.

За ничтожные доли секунды крошечная точка раздулась до невероятных размеров. А затем произошел распад этого ложного вакуума. Поле «скатилось» в истинный вакуум, выделив при этом колоссальное количество энергии, которая разогрела пространство и породила все те частицы, из которых состоят звезды, планеты и мы с вами. В этом смысле сам факт нашего существования является следствием одного из таких распадов.

Но если распад ложного вакуума уже случался в прошлом, он может случиться снова. Ведь наша Вселенная, какой мы ее знаем сегодня, это не обязательно конечная точка эволюции. Ключевой вопрос заключается в том, в каком вакууме мы находимся сейчас. Является ли наше текущее состояние истинным дном ущелья или это очередная ложбина, которая кажется устойчивой, но лишь ожидает своего часа?

Ответ на этот вопрос долгое время оставался за гранью возможностей физики, пока в 2012 году на Большом адронном коллайдере не был открыт бозон Хиггса. Эта частица является квантовым проявлением поля Хиггса, которое пронизывает все пространство и отвечает за массу всех элементарных частиц. Зная массу бозона Хиггса и массу самой тяжелой известной частицы — топ кварка, физики смогли рассчитать форму того самого энергетического ландшафта для поля Хиггса. Результаты этих расчетов, опубликованные в последующие годы, оказались тревожными и одновременно захватывающими. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, наше текущее состояние не является истинным вакуумом. Поле Хиггса находится в локальном, а не в глобальном минимуме энергии. Другими словами, мы живем внутри ложного вакуума.

Это открытие было встречено научным сообществом с большим интересом, поскольку оно означает, что наша Вселенная в принципе нестабильна. За барьером, отделяющим нас от истинного дна, скрывается состояние с гораздо более низкой энергией, а значит и с иными законами физики. Что это за состояние? Какими будут массы частиц и силы взаимодействия в истинном вакууме? На этот счет у физиков нет однозначного ответа, но ясно одно: если поле Хиггса туда провалится, структура реальности в том месте, где это произойдет, изменится до неузнаваемости.

Теперь самое важное: каким же образом поле может преодолеть барьер, отделяющий его от истинного минимума? В классической физике это невозможно. Мяч в ложбине никогда не выкатится наружу, если его никто не толкнет. Но в квантовой физике действуют иные правила. Существует явление, которое называется квантовым туннелированием. Квантовые объекты способны просачиваться сквозь энергетические барьеры, которые для классических объектов являются непреодолимыми. Вероятность такого туннелирования чрезвычайно мала для отдельного акта, но она никогда не равна нулю. И для поля, заполняющего всю Вселенную, эта вероятность реализуется не как единовременное изменение повсюду, а как зарождение крошечного пузырька.

Представьте себе, что в какой-то случайной точке пространства, в результате квантовой флуктуации, поле Хиггса совершает скачок и переходит через барьер. В этой точке возникает микропузырек истинного вакуума. Внутри этого пузырька законы физики уже другие. Но сам пузырек не остается статичным. Его стенка, граница между двумя состояниями вакуума, обладает поверхностным натяжением и огромной разностью энергий. Эта стенка начинает расширяться. Согласно расчетам, скорость расширения стенки пузыря приближается к скорости света. Она движется так быстро, что если бы такой пузырь возник где то в пределах нашей галактики, мы бы никогда не узнали о его существовании до того момента, как он нас поглотил.

Химия, которая лежит в основе всех биологических процессов, становится невозможной. Более того, в некоторых моделях истинного вакуума сами протоны, из которых состоят атомные ядра, оказываются нестабильными и распадаются. Человек, оказавшийся на пути пузыря, просто перестал бы существовать как структура, причем этот процесс произошел бы быстрее, чем нервный импульс успел бы дойти до мозга. Увидеть надвигающуюся катастрофу невозможно, потому что никакой сигнал не может опередить саму границу реальности, движущуюся со скоростью света.

Однако не стоит немедленно впадать в панику. Физики, оценив массу бозона Хиггса и параметры Стандартной модели, вычислили и время жизни нашего ложного вакуума. Результаты этих вычислений парадоксальны. С одной стороны, математически наше состояние является нестабильным, и распад неизбежен. С другой стороны, время, через которое он произойдет, настолько велико, что его трудно даже представить. Согласно наиболее авторитетным оценкам, вероятность зарождения пузыря истинного вакуума в наблюдаемой части Вселенной составляет менее одного события за сто миллиардов лет. Для сравнения, текущий возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиардов лет. То есть в ближайшие десятки миллиардов лет вероятность распада практически равна нулю. Мы живем в метастабильном состоянии, которое будет оставаться стабильным на любых разумных временных масштабах.

Более того, существует фактор, который может сделать этот сценарий полностью безвредным для отдаленных уголков космоса. Речь идет о темной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Если скорость расширения пространства будет достаточно высокой, она сможет превзойти скорость расширения стенки пузыря истинного вакуума. В этом случае пузыри, возникающие где то далеко, никогда нас не догонят. Пространство между нами и ними будет расширяться быстрее, чем движется их граница. В такой картине мира Вселенная становится вечно расширяющимся пространством, в котором островки с привычной нам физикой плавают в океане ложного вакуума, а пузыри новой реальности возникают бесконечно, но остаются навсегда изолированными друг от друга. Это один из сценариев мультивселенной, где разные области пространства живут по своим собственным законам физики.

Тема распада ложного вакуума находится на стыке нескольких фундаментальных областей физики: физики элементарных частиц, квантовой теории поля и космологии. Она объединяет самое малое с самым большим. Квантовые флуктуации на планковских масштабах могут определить судьбу всей наблюдаемой Вселенной. Это редкий пример теории, которая позволяет заглянуть за горизонт событий нашего космологического прошлого и будущего. Она не дает нам точного ответа на вопрос о том, как именно погибнет Вселенная, но она предлагает самый необычный и самый радикальный из всех возможных сценариев: смерть не от внешнего воздействия, а от внутренней нестабильности самой реальности.

С практической точки зрения человечеству нечего опасаться в обозримом будущем. Даже если пузырь истинного вакуума зародится прямо сейчас где-то в межгалактическом пространстве, он будет расширяться со скоростью света, а значит до нас он дойдет не раньше, чем через миллиарды лет, если дойдет вообще. Но эта тема важна не столько как пророчество о конце времен, сколько как индикатор глубины нашего непонимания устройства мироздания. Тот факт, что мы не знаем, стабильна ли наша собственная реальность, говорит о том, что физика элементарных частиц еще далека от завершения. Возможно, существуют новые поля и новые частицы, которые изменят форму энергетического ландшафта и сделают наш вакуум абсолютно стабильным. Возможно, наша интерпретация расчетов массы бозона Хиггса неполна без учета темной материи или других неизвестных факторов.

Но квантовый мир не знает покоя. Флуктуации продолжаются, и ничто не вечно под луной, даже сама физическая материя в том виде, в котором мы ее знаем. И в этом заключается не только трагизм, но и удивительная красота нашего существования. Мы живем в момент космической стабильности, который длится достаточно долго для того, чтобы возникла жизнь, разум и наука, способная задать вопрос о том, как долго это продлится. Возможно, именно в этой способности задавать вопросы и искать на них ответы и заключается главная ценность нашего метастабильного мира.