|
Квантовые взаимодействия в ранней Вселенной
|
|
|
|
Возможно, Вселенная застряла в своей зоне комфорта, и исследователь из Колледжа инженерии и компьютерных наук помог объяснить, почему она не может выйти из этого состояния. Согласно новому исследованию, Вселенная может быть зафиксирована в своем текущем состоянии из-за тех же квантовых эффектов, которые ученые изучают, пытаясь сохранить хрупкую информацию внутри квантового компьютера. Статья под названием «Космический локдаун: когда декогеренция спасает Вселенную от туннелирования» была принята к публикации в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
|
|
|
|
Ее авторами стали Грегори Капланек, постдокторант, работающий в лаборатории Джейсона Поллака, доцента кафедры электротехники и компьютерных наук, а также четверо его соавторов: Робсон Кристи и Джеву Джу из Портсмутского университета в Великобритании, Венсан Веннен из Лаборатории физики Высшей нормальной школы в Париже и Дэвид Уондс, также из Портсмутского университета. Капланек и Поллак работают в Институте квантовых и информационных наук Сиракузского университета.
|
|
|
|
Это исследование призвано развеять давние опасения физиков о том, что Вселенная может находиться в так называемом ложном вакууме — состоянии, которое выглядит стабильным, но на самом деле не является состоянием с наименьшей доступной энергией. Квантовая механика допускает возможность выхода поля из такого состояния без предупреждения, что может привести к изменению фундаментальных свойств космоса.
|
|
|
|
Эти опасения имеют под собой не только теоретическую основу. Согласно некоторым расчетам, поле Хиггса, которое отвечает за массу таких частиц, как электроны, само может находиться в ложном вакууме, а не в истинном состоянии с наименьшей доступной энергией. Если оно когда-нибудь перейдет в более глубокое состояние, свойства частиц и фундаментальных взаимодействий во всей Вселенной могут измениться.
|
|
|
|
|
|
|
Как «космический локдаун» подавляет квантовый туннелирующий эффект
|
|
|
|
Новое исследование выявило механизм, который значительно снижает вероятность такого перехода. Ученые смоделировали поведение квантового поля при взаимодействии с окружающей средой во время стремительного расширения ранней Вселенной. Они обнаружили, что эти взаимодействия могут сильно подавлять квантовый туннелирующий эффект, фактически удерживая поле в том состоянии, в котором оно уже находится. Исследователи назвали этот эффект «космическим локдауном».
|
|
|
|
В основе этого явления лежит физика открытых квантовых систем, которая изучает, как квантовые системы изменяются при взаимодействии с окружающей средой, а не в изолированном состоянии. Те же идеи лежат в основе квантовых вычислений, где даже незначительное внешнее вмешательство может нарушить поведение квантовой системы. Исследователи объединили эти методы с численным моделированием квантового поля, развивающегося в расширяющейся Вселенной.
|
|
|
|
Проще говоря, взаимодействия передают информацию о поле в окружающую среду. Как только эта информация фактически теряется из виду, интерференция между двумя возможными исходами исчезает в процессе, называемом декогеренцией. В режиме, который изучала команда, потеря интерференции может также полностью подавить способность поля к туннелированию, что является разновидностью того, что физики называют квантовым эффектом Зенона, при котором постоянный мониторинг системы препятствует ее переходам.
|
|
|
|
Исследователи описывают два различных этапа процесса. На ранних этапах, по мере расширения Вселенной, способность поля успевать за этим расширением в значительной степени определяет, к какому из двух возможных энергетических состояний оно в конечном итоге придет. Более тяжелые поля, как правило, выбирают вариант с наименьшей энергией, в то время как более легкие поля могут в конечном итоге распределиться между ними более равномерно. Позже декогеренция от окружающей среды помогает зафиксировать тот результат, который уже произошел.
|
|
|
|
Авторы предупреждают, что полученный результат не доказывает, что текущее состояние Вселенной будет оставаться стабильным вечно, и не определяет конкретную вероятность того, что поле Хиггса в конечном итоге распадется. Для подтверждения этой гипотезы необходимо учесть дополнительные факторы, в том числе изменение скорости расширения Вселенной и влияние поля на гравитацию.
|
|
|
|
Тем не менее авторы работы считают, что она является связующим звеном между квантовой информатикой и космологией, поскольку инструменты, изначально разработанные для квантовых компьютеров, применяются для изучения истории и дальнейшей судьбы самой Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
