Катастрофа, от которой не спастись: что такое разрыв «ложного вакуума»
Если вы уверены, что Вселенная будет существовать вечно — или, по крайней мере, невероятно долго, то, возможно, пришло время пересмотреть свои взгляды. Данные, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК), и эксперименты 2024–2025 годов показывают: Вселенная может находиться в неустойчивом состоянии, которое физики называют метастабильным или «ложным» вакуумом, который может распасться в любой момент. Если это произойдёт, привычная реальность перестанет существовать мгновенно. Рассказываем, почему физики говорят о «пузырях новой физики» и стоит ли переживать из-за экспериментов на коллайдерах.
Открытие, которое изменило всё
История этого вопроса перешла из теории в практику в июле 2012 года. Тогда учёные на БАК объявили об открытии бозона Хиггса — частицы, которая отвечает за массу во Вселенной. Это стало триумфом науки, но принесло с собой тревожные новости. Для физиков важным было измерить точную массу этой частицы. Она составила примерно 125 ГэВ (гигаэлектронвольт).
Это «неудобное» число поместило Вселенную в так называемую зону метастабильности. Масса бозона Хиггса недостаточно велика, чтобы гарантировать полную стабильность мироздания, но и не так мала, чтобы мир разрушился немедленно. Расчёты показали, что существующий вакуум — ложный. Он может внезапно перейти в другое состояние.
Чтобы объяснить метастабильность, физики используют простую аналогию с ландшафтом. Представьте холмистую местность. Наш мир — это мяч, который лежит в небольшой ямке на склоне высокой горы. Мяч кажется неподвижным и стабильным, потому что стенки ямки удерживают его. Это и есть «ложный вакуум» — состояние, в котором, согласно последним данным, находится Вселенная.
График зависимости скалярного поля φ от энергии, иллюстрирующей состояния истинного и ложного вакуумов
Проблема в том, что ниже по склону есть гораздо более глубокая долина — «истинный вакуум» с минимально возможной энергией. В классической физике мяч лежал бы в своей ямке вечно. Но в квантовом мире действуют другие правила. Из-за туннельного эффекта частицы могут проходить сквозь барьеры, даже если им не хватает энергии, чтобы их перепрыгнуть. Теоретически «мяч» может просочиться сквозь стенку ямки и покатиться вниз, в истинную долину. Это падение и называют распадом вакуума.
Сценарий «Большого разрыва»
Если это произойдёт, событие станет фатальным для Вселенной. Процесс начнётся с нуклеации — появления крошечного пузырька «истинного вакуума» в любой случайной точке пространства. Дальше события будут развиваться по катастрофическому сценарию:
- Мгновенное расширение. Стенки этого пузыря будут расширяться со скоростью света, поглощая пространство ложного вакуума.
- Никаких предупреждений. Так как фронт катастрофы движется со скоростью света, увидеть его приближение не удастся. Все люди просто исчезнут, не успев ничего понять.
- Крах материи. Внутри пузыря действуют другие законы физики. Поле Хиггса примет там новое значение, что изменит массы всех частиц. Атомы распадутся, так как ядра больше не смогут удерживаться вместе. Химия как наука перестанет существовать.
- Гравитационный коллапс. Пространство внутри пузыря может мгновенно схлопнуться в сингулярность — точку с бесконечной плотностью.
Теоретически, эта катастрофа уже могла начаться. Её эпицентр может находиться за тысячи или даже миллионы световых лет от Земли. В таком случае, расширяющийся пузырь «истинного вакуума» достигнет нашей планеты ещё очень нескоро. Но это неизбежно произойдёт, если разрыв действительно случился. Так это или нет, человечество, возможно, никогда не узнает.
Главный противник стабильности
Почему текущий вакуум вообще оказался под угрозой? Исследования 2024–2025 годов указывают на «виновника» — топ-кварк. Это самая тяжёлая известная элементарная частица.
Если бозон Хиггса работает как «хранитель», пытаясь удержать систему в равновесии, то тяжёлый топ-кварк своим влиянием «тянет» параметры вакуума вниз, к нестабильности.
Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов
Последние измерения уточнили массу топ-кварка — 172,56 ГэВ. Это невероятно точная настройка. Будь эта частица всего на 0,5 ГэВ тяжелее, Вселенная схлопнулась бы, не успев просуществовать и пары миллиардов лет. Сейчас параметры находятся буквально на лезвии ножа.
Вакуум в пробирке
Долгое время распад вакуума был лишь теорией. Но в 2024 году учёные из Италии и Великобритании смогли воссоздать этот процесс в лаборатории.
Конечно, они не разрывали ткань Вселенной. Исследователи использовали переохлаждённые атомы натрия, создав из них особый конденсат при температуре, близкой к абсолютному нулю. Систему перевели в нестабильное состояние — аналог ложного вакуума.
Результат подтвердил теорию: в атомном облаке спонтанно возникли пузырьки новой фазы, которые начали быстро захватывать окружающее пространство. Это стало первым прямым доказательством того, что механизм распада работает именно так, как предсказывали физики.
Стоит ли бояться коллайдеров?
Каждый раз, когда учёные запускают мощные эксперименты, возникает вопрос: «А не толкнут ли исследователи мяч в пропасть своими руками?» Не станет ли очередной запуск БАК триггером для конца света?
Физики и космологи успокаивают: причин для паники нет. И вот почему:
- Аргумент космических лучей. Природа проводит эксперименты мощнее человеческих ежесекундно. Землю и другие планеты миллиарды лет бомбардируют космические лучи с энергией, недостижимой для существующих ускорителей. Земля пережила уже миллионы событий, аналогичных экспериментам на БАК, и всё ещё существует.
- Недостаток мощности. Стивен Хокинг предупреждал, что распад вакуума возможен при энергиях свыше 100 миллиардов ГэВ. БАК работает на энергиях в миллиарды раз меньше. Чтобы создать угрозу, пришлось бы построить ускоритель размером с орбиту Земли.
- Время жизни Вселенной. Вероятность спонтанного туннелирования ничтожно мала. Расчёты показывают, что время жизни метастабильного вакуума превышает текущий возраст Вселенной в миллиарды раз.
Что в итоге
Фундаментальные параметры Вселенной настроены так тонко, что малейшее отклонение сделало бы её существование невозможным. Изучение вакуума нужно не для того, чтобы предсказать апокалипсис. Это способ понять, почему законы природы именно такие. Учёные продолжают искать новую физику, которая, возможно, объяснит эту загадочную «настройку» и, возможно, найдёт скрытые силы, делающие мир более прочным, чем кажется сейчас. А пока можно спать спокойно: если существующий вакуум и «ложный», его запаса прочности хватит ещё на триллионы лет.