Interacțiunile cuantice ar fi putut bloca câmpurile universului timpuriu în stările energetice existente
Universul s-ar putea afla într-o stare de stabilitate aparentă din care nu poate ieși, iar un cercetător din cadrul Colegiului de Inginerie și Științe ale Calculatoarelor a contribuit la explicarea acestui fenomen. Un nou studiu sugerează că universul ar putea fi blocat în starea sa actuală de aceleași tipuri de efecte cuantice pe care oamenii de știință le studiază atunci când încearcă să păstreze informații fragile în interiorul unui computer cuantic.
Lucrarea, intitulată „Cosmic Lockdown: When Decoherence Saves the Universe from Tunneling”, a fost acceptată spre publicare în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Aceasta a fost scrisă de Gregory Kaplanek, cercetător postdoctoral în laboratorul lui Jason Pollack, profesor asistent în Departamentul de Inginerie Electrică și Științe ale Calculatoarelor, împreună cu patru colaboratori: Robson Christie și Jaewoo Joo de la Universitatea din Portsmouth, Regatul Unit, Vincent Vennin de la Laboratoire de Physique de l’École Normale Supérieure din Franța și David Wands, tot de la Portsmouth. Kaplanek și Pollack fac parte din Institutul de Științe Cuantice și Informaționale al Universității Syracuse.
Pericolul vidului fals
Cercetarea abordează o îngrijorare de lungă durată în rândul fizicienilor: aceea că universul ar putea să se afle într-o așa-numită stare de vid fals, o stare care pare stabilă, dar care nu este de fapt configurația cu cea mai joasă energie disponibilă. Mecanica cuantică permite unui câmp să tuneleze afară dintr-o astfel de stare fără avertisment, o schimbare care ar putea altera proprietățile fundamentale ale cosmosului.
Această preocupare nu este pur teoretică. Unele calcule indică faptul că însuși câmpul Higgs, care ajută la conferirea masei particulelor precum electronii, s-ar putea afla într-un vid fals, mai degrabă decât în starea reală de energie minimă a naturii. Dacă ar tuneleaza vreodată către o stare mai profundă, proprietățile particulelor și forțelor din întregul univers s-ar putea schimba.
Cum suprimă „blocarea cosmică” tunelarea
Noul studiu identifică un mecanism care face o astfel de tranziție mult mai puțin probabilă. Cercetătorii au modelat comportamentul unui câmp cuantic atunci când interacționează cu mediul său în timpul expansiunii rapide a universului timpuriu. Au descoperit că aceste interacțiuni pot suprima puternic tunelarea, blocând efectiv câmpul în orice stare s-a stabilizat deja. Echipa numește acest efect „blocare cosmică”.
Fizica de bază provine dintr-un domeniu numit sisteme cuantice deschise, care studiază modul în care sistemele cuantice se schimbă atunci când interacționează cu un mediu, în loc să existe în izolare. Aceleași idei sunt centrale în calculul cuantic, unde chiar și o interferență externă minoră poate perturba comportamentul unui sistem cuantic.
Cercetătorii au combinat aceste tehnici cu simulări numerice ale unui câmp cuantic care evoluează într-un univers în expansiune. Pe scurt, interacțiunile transportă informația despre câmp către mediul său înconjurător. Odată ce acea informație este efectiv pierdută din urmărire, interferența dintre două rezultate posibile scade într-un proces numit decoerență. În regimul studiat de echipă, acea pierdere a interferenței poate suprima și capacitatea câmpului de a tuneleaza, o variație a ceea ce fizicienii numesc efectul Zeno cuantic, în care monitorizarea persistentă a unui sistem îi inhibă tranzițiile.
Cercetătorii descriu două etape distincte ale procesului. La început, pe măsură ce universul se expandează, capacitatea unui câmp de a ține pasul cu această expansiune determină în mare măsură care dintre cele două stări energetice posibile va fi favorizată. Câmpurile mai grele tind să se stabilizeze către opțiunea cu energie minimă, în timp ce câmpurile mai ușoare pot ajunge să fie împărțite mai uniform între cele două. Mai târziu, decoerența din mediu ajută la blocarea oricărui rezultat care s-a produs deja.
Limitele predicțiilor privind stabilitatea cosmică
Autorii avertizează că rezultatul nu dovedește că starea actuală a universului va rămâne stabilă pentru totdeauna și nu determină probabilitatea specifică ca câmpul Higgs să se degradeze în cele din urmă. Confirmarea acestui lucru ar necesita luarea în considerare a unor factori suplimentari, inclusiv o rată de expansiune cosmică în schimbare și influența câmpului însuși asupra gravitației.
Cu toate acestea, echipa consideră lucrarea ca o punte între știința informației cuantice și cosmologie, aplicând instrumente dezvoltate inițial pentru computerele cuantice la o întrebare despre istoria și soarta pe termen lung a universului însuși.
