На протяжении десятилетий физики рассуждали о страшной возможности будущего Вселенной — о том, что все, что мы знаем, может внезапно и насильственно исчезнуть в один миг. Эта катастрофическая судьба, известная как ложный вакуумный распад, теперь не просто теоретическая спекуляция. В новаторском эксперименте ученые впервые использовали новейший квантовый компьютер для моделирования этого леденящего душу процесса.
Команда под руководством исследователей из Техасского университета в Остине успешно использовала 5,564-кубитный квантовый отжиг для моделирования распада ложного вакуума — процесса, который в принципе может в один прекрасный день уничтожить Вселенную, какой мы ее знаем. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, позволяют по-новому взглянуть на фундаментальную природу нашей реальности и демонстрируют растущую мощь квантовых компьютеров в решении самых сложных проблем в физике.
Вселенная на грани стабильности
В основе этого исследования лежит необычная и тревожная идея: вакуум космоса может быть не совсем стабильным. Согласно квантовой теории поля, пространство заполнено различными энергетическими полями, одно из самых важных — поле Хиггса, которое придает частицам массу. Если поле Хиггса находится не в самом низком энергетическом состоянии (истинный вакуум), а в ловушке ложного вакуума, то теоретически оно может распасться в любой момент.
Этот распад начнется со спонтанного образования «пузыря» истинного вакуума где-то во Вселенной. Затем этот пузырь будет расширяться почти со скоростью света, коренным образом изменяя законы физики внутри него и уничтожая все на своем пути — включая целые галактики. Что самое страшное? Если бы этот процесс начался, мы бы его не заметили.
Несмотря на то, что это похоже на научную фантастику, физики серьезно относятся к такой возможности. Однако, поскольку распад вакуума — это глубоко квантовомеханический процесс, его моделирование оставалось сложной задачей — до сих пор.
Как ученые смоделировали гибель Вселенной
Квантовые компьютеры уже давно называют будущим вычислительной техники, способной решать задачи, недоступные даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Одно из таких квантовых устройств, квантовый отжиг D-Wave, было использовано для моделирования физики распада вакуума в одном измерении.
В отличие от классических битов, которые могут существовать только в двух состояниях (0 или 1), кубиты используют причудливые свойства квантовой механики, чтобы существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам параллельно обрабатывать огромные объемы информации, что делает их идеальными для изучения сложных квантовых явлений, таких как ложный распад вакуума.
Исследователи запрограммировали квантовый отжиг так, чтобы он представлял собой упрощенную вселенную, в которой метастабильный ложный вакуум может распадаться в более стабильное состояние. Манипулируя кубитами, они смоделировали спонтанное образование пузырьков истинного вакуума и наблюдали, как они взаимодействуют и растут.
Что они обнаружили
Эксперимент выявил сложный «танец пузырей», разворачивающийся в моделируемой квантовой системе. Когда образовывались пузырьки истинного вакуума, они вели себя неожиданным образом — сливаясь, разрастаясь и влияя друг на друга в сложных узорах. Такое поведение точно отражает теоретические предсказания того, как распад вакуума может разворачиваться в реальной Вселенной.
Что это означает для будущего
Несмотря на то, что причин для паники нет — по текущим оценкам, поле Хиггса, вероятно, будет стабильным в течение триллионов лет, — данное исследование имеет значительные последствия как для космологии, так и для квантовых компьютеров.
Для космологов оно предоставляет практический способ проверить идеи о стабильности вакуума, фазовых переходах в ранней Вселенной и даже о фундаментальной природе самого пространства. Если ученые смогут масштабировать эти симуляции до более высоких измерений, мы сможем получить беспрецедентное понимание того, как разворачиваются космические события.
Что касается квантовых компьютеров, то успех этого эксперимента подчеркивает, насколько мощными стали эти машины. Квантовые устройства еще не готовы заменить классические компьютеры, но они доказывают свою неоценимость в решении проблем, с которыми традиционные вычисления просто не могут справиться.
Теперь исследователи планируют продвинуться дальше и попытаться смоделировать ложный распад вакуума в двух измерениях, что является гораздо более сложным сценарием. В случае успеха это может еще на один шаг приблизить нас к полному моделированию одного из самых умопомрачительных процессов во Вселенной.
А пока возможность того, что наша Вселенная находится на расстоянии всего лишь одного пузырька от разрушения, остается одной из самых странных и преследующих идей в современной физике.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ru
