Конец Вселенной проверили в лаборатории, но без апокалипсиса.
Физики давно обсуждают один из самых тревожных сценариев для Вселенной: где-то в космосе рождается крошечный пузырь «истинного вакуума», начинает расширяться со скоростью, близкой к скорости света, и переписывает законы физики на своем пути. Для наблюдателя такой конец был бы мгновенным. Увидеть угрозу заранее невозможно.
Группа исследователей из Университета Цинхуа заявила, что смоделировала ключевой механизм такого процесса на программируемом квантовом симуляторе. Речь не идет о доказательстве, что Вселенная находится на грани гибели. Ученые воспроизвели не космическую катастрофу, а физическую модель, которая помогает изучать переход из нестабильного состояния в более низкоэнергетическое.
Сценарий называют распадом ложного вакуума. В современной физике ложный вакуум описывает состояние, которое выглядит стабильным, но не имеет минимально возможной энергии. Теоретически квантовая флуктуация может перевести небольшой участок пространства в «истинный вакуум». Затем новая область начнет расширяться, а соседние частицы будут вовлекаться в тот же переход.
Идею в 1970-х формализовал физик Сидни Коулман. С тех пор распад ложного вакуума остается одной из самых эффектных и неприятных гипотез теоретической физики. По некоторым оценкам, время ожидания такого события может превышать 10 в 105-й степени лет, а может вообще не иметь отношения к реальной Вселенной, если текущий вакуум не является ложным.
Не спрашивайте почему мы в MAX.
Команда из Цинхуа собрала одномерное кольцо из высоковозбужденных атомов рубидия-87 в ридберговском состоянии. Такие атомы сильно взаимодействуют друг с другом и подходят для квантового моделирования сложных систем. В эксперименте атомный массив сформировал два вырожденных антиферромагнитных состояния. Затем исследователи с помощью адресных лазеров подняли энергию одного состояния и превратили его в искусственный «ложный вакуум», а второе состояние стало аналогом «истинного вакуума».
После включения глобальных лазеров в системе появились квантовые флуктуации. Симулятор начал переходить из ложного вакуума в истинный, а ученые наблюдали зарождение и рост пузырей нового состояния. Руководитель работы, физик-теоретик Ван Сяо, сказал, что команда напрямую увидела нуклеацию и расширение пузырей истинного вакуума.
По словам Вана, сами лазерные операции не были необычными. Главная идея заключалась в том, чтобы связать стандартные приемы управления атомами с конкретным физическим смыслом: через нарушение симметрии задать разницу энергий между ложным и истинным вакуумом.
Исследователи подчеркивают, что эксперимент не отвечает на вопрос, находится ли настоящая Вселенная в ложном вакууме. Симулятор также не позволяет вычислить реальное время возможного распада космического вакуума. Ван пояснил, что при таком сценарии пузырь действительно распространялся бы «как горение» и вел бы к катастрофическим последствиям, но работа команды не делает прогнозов о судьбе Вселенной.
Ценность эксперимента лежит в другой области. Физики получили редкую возможность связать абстрактные идеи квантовой теории поля с управляемой квантовой материей в лаборатории. Такой подход позволяет проверять модели, которые невозможно наблюдать напрямую в космосе.
Работа также показывает, почему массивы ридберговских атомов быстро стали одним из самых заметных направлений в квантовых технологиях. Нейтрально-атомные симуляторы устроены проще, чем универсальные квантовые компьютеры: ученым не нужно точно управлять каждой парой кубитов, достаточно подготовить начальное состояние и наблюдать естественную эволюцию системы.
По мнению Вана, квантовое моделирование уже стало мощным экспериментальным инструментом. Технология проще в реализации, чем универсальный квантовый компьютер, но научная ценность у такого подхода сопоставима. В гонке участвуют ведущие группы во Франции и США, а также крупные технологические компании, включая Google.