Конец Вселенной воспроизвели в лаборатории. Рассказываем, как физики получили модель самого мрачного сценария Вселенной
NewsMakerКонец 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.
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.
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.
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.