Interacțiunile cu mediul pot bloca câmpurile cuantice în vidul fals
În cosmologie, vidul nu înseamnă absența completă a energiei. El reprezintă o stare în care un câmp se află la un minim al energiei sale. Există un vid adevărat, cel mai profund minim posibil, dar și minime locale, numite viduri false. Un sistem aflat într-o astfel de depresiune poate rămâne blocat acolo chiar dacă, în altă parte, există o stare cu energie mai mică.
Un câmp clasic are o valoare în fiecare punct din spațiu, precum câmpul magnetic. Câmpurile cuantice se comportă similar, iar excitațiile lor apar ca particule. Într-un studiu publicat în Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, cercetătorii Robson Christie, Jaewoo Joo, Greg Kaplanek, Vincent Vennin și David Wands au folosit un model simplificat pentru a investiga ce determină în care vid ajunge un câmp într-un univers în expansiune.
Autorii invocă exemplul câmpului Higgs. Valoarea sa de vid contribuie la masa particulelor din Modelul Standard. Conform unor calcule, este posibil ca câmpul Higgs să nu se afle în starea de energie minimă, ci într-un vid fals, iar la valori foarte mari ale câmpului să existe un al doilea minim, mai profund. O tranziție către acel minim ar schimba radical structura materiei și a forțelor.
În fizica clasică, un sistem aflat în valea mai puțin adâncă are nevoie de energie pentru a trece de barieră. În mecanica cuantică, starea sistemului se poate extinde dincolo de barieră, existând o probabilitate mică să apară pe cealaltă parte: acesta este efectul de tunelare cuantică.
Majoritatea calculelor de tunelare tratează câmpul ca fiind complet izolat. Însă, așa cum explică Greg Kaplanek, izolarea perfectă este o idealizare. În realitate, câmpurile interacționează continuu cu alte câmpuri și cu mediul lor. Interacțiunile produc decoerență, fenomen prin care un sistem cuantic aflat într-o suprapunere de stări începe să se comporte tot mai mult ca un sistem clasic.
În modelul autorilor, mediul este reprezentat de alte câmpuri care interacționează cu câmpul principal. Un rezultat surprinzător este că mediul nu pare să joace un rol decisiv în alegerea inițială a vidului. Contează mai mult dacă câmpul este ușor sau greu în raport cu scara Hubble, adică cu ritmul de expansiune al universului.
Un câmp greu se poate adapta rapid la schimbările produse de expansiune și este foarte probabil să se îndrepte spre vidul adevărat. Pentru câmpurile ușoare, dacă expansiunea este prea rapidă, sistemul nu ține pasul, iar probabilitatea ca el să ajungă în vidul fals rămâne semnificativă.
Odată ce un câmp ușor a ajuns în vidul fals, interacțiunea cu mediul produce decoerență și distruge proprietățile cuantice necesare menținerii unei suprapuneri coerente între cele două viduri. Tunelarea către celălalt vid este puternic suprimată. Autorii numesc acest fenomen lockdown cosmic, o blocare care stabilizează câmpul în vidul atins.
Fenomenul este interpretat ca o manifestare a efectului Zeno cuantic: în anumite condiții, un sistem cuantic monitorizat continuu are mult mai multă dificultate să treacă dintr-o stare în alta. Nu este nevoie de un observator conștient, explică Kaplanek, ci mediul colectează continuu informație despre starea sistemului.
Studiul rămâne un model simplificat și nu arată că vidul Higgs actual este protejat de lockdown cosmic. Rezultatul sugerează însă un principiu: interacțiile cu mediul pot face un vid fals mai stabil prin suprimarea tunelării. David Wands concluzionează că, dacă un astfel de mecanism ar fi relevant în situații cosmologice mai realiste, ar putea ajuta la stabilizarea unui câmp aflat deja într-un vid fals, dar înțelegerea aplicării la câmpul Higgs va necesita modele mai realiste.
