Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Поэтому нам следует сказать спасибо, что поле Хиггса нарушило электрослабую симметрию, в противном случае мы не имели бы возможности просто спокойно посидеть. Поле Хиггса не только позволило частицам обрести массу, но и определило некоторые из фундаментальных физических констант, в том числе заряд электрона и значения масс частиц. То физическое состояние, в котором мы существуем, называется «вакуумом Хиггса» или «вакуумным состоянием». Если бы поле Хиггса имело какое-то другое значение или симметрия нарушилась как-то иначе, мы, вероятно, вообще не могли бы существовать. Мы находимся во Вселенной, где массы и заряды частиц идеально подходят для того, чтобы частицы объединялись в молекулы, формировали сложные структуры и обеспечивали химические процессы, поддерживающие жизнь. Если бы поле Хиггса имело другое значение, такое деликатное равновесие, вероятно, не было бы достигнуто, что сделало бы невозможным формирование этих связей. Своим материальным существованием мы обязаны тому факту, что поле Хиггса остановилось на нужном значении.

И тут возникают некоторые риски.

Эксперименты, проводимые на ускорителе БАК с целью воссоздания экстремальных условий ранней Вселенной, помогают нам не только лучше изучить существующие законы физики, но и понять, какими они могли бы быть при других обстоятельствах. В 2012 году, когда физикам наконец удалось создать бозон Хиггса в результате столкновения частиц, измерение его массы позволило получить недостающий фрагмент для завершения Стандартной модели физики элементарных частиц. Благодаря этому мы узнали не только о текущем значении поля Хиггса, но и обо всех возможных значениях, которые оно могло бы принять, появись у него такая возможность.

Хорошая новость: измеренная масса бозона Хиггса полностью соответствует хорошо обоснованной и математически последовательной формулировке Стандартной модели, которая до сих пор с блеском выдерживала все экспериментальные испытания.

Плохая новость: последовательная Стандартная модель также говорит нам о том, что наш вакуум Хиггса – идеально сбалансированный набор законов, управляющих физическим миром, – нестабилен.

В таком случае дни нашего прекрасного космоса, судя по всему, сочтены.

Идея о том, что наш вакуум может оказаться нестабильным, не нова. Уже в 1960-х и 1970-х годах физики писали статьи о возможном и катастрофическом для Вселенной процессе распада, способном уничтожить жизнь какой мы ее знаем, и любую возможность существования организованной материи. В то время распад вакуума был просто идеей, с которой можно забавляться в уравнениях, не имея никаких подтверждающих ее экспериментальных данных.

Сейчас все иначе.

Чтобы разобраться с распадом вакуума, сначала нужно познакомиться с концепцией потенциала, математической конструкцией, описывающей то, как может измениться значение поля и где оно «предпочитает» находиться. Поле Хиггса можно представить в виде камешка, катящегося по склону долины. Форма этого склона и есть потенциал. Подобно тому, как камешек стремится оказаться на дне долины, поле Хиггса будет искать состояние с самой низкой энергией, соответствующее наименьшему значению потенциала, и остановится на нем, если ему ничто не помешает. Потенциал можно изобразить в виде U-образной кривой, нижняя часть которой соответствует этой самой долине. Нарушение электрослабой симметрии привело к возникновению потенциала, управляющего полем Хиггса, и, как мы думаем, это поле благополучно обосновалось на дне долины.

Проблема в том, что истинное дно может находиться в гораздо более низкой части потенциала и соответствовать другому вакуумному состоянию. Представьте себе наклоненную округлую W-образную кривую, одна из долин которой расположена ниже той, в которой в настоящее время находится поле Хиггса. Если потенциал Хиггса имеет второй, более низкий минимум, то это превращает его из хорошей математической конструкции в экзистенциальную угрозу для всего космоса.

В каком бы месте своего потенциала в данный момент ни находилось поле Хиггса, оно дает нам вполне приемлемую, удобную Вселенную. У нас есть физические константы, которые позволяют частицам организовываться в твердые жизнеспособные структуры. Если его потенциал имеет еще один, более низкий минимум, все сущее находится под угрозой.

В такой ситуации вакуум Хиггса можно назвать лишь метастабильным. То есть он стабилен только до определенного момента. Поле застряло в минимуме потенциала, который на самом деле больше напоминает не дно долины, а небольшое углубление в ее склоне. Поле может оставаться там в течение длительного времени – достаточного для возникновения галактик, рождения звезд, эволюции жизни, а также для производства бесчисленного количества никому не нужных фильмов о супергероях, однако существует вероятность, что достаточно сильное возмущение способно перебросить его через край, после чего ему уже ничто не помешает найти истинный минимум потенциала. И такое развитие событий было бы апокалиптически плохим по причинам, которые мы обсудим далее во всех кровавых подробностях.

К сожалению, лучшие из имеющихся у нас данных, полностью соответствующих Стандартной модели физики элементарных частиц, позволяют предположить, что наше поле Хиггса в настоящее время находится именно в таком углублении. Это метастабильное состояние также называется «ложным вакуумом» в отличие от «истинного» вакуума, который соответствует самому нижнему минимуму потенциала.

Что плохого в том, чтобы находиться в ложном вакууме? Вполне возможно, что все. Ложный вакуум в лучшем случае представляет собой лишь временную отсрочку для окончательного разрушения. В ложном вакууме законы физики, в том числе сама возможность существования частиц, зависят от деликатного баланса, который в любой момент может быть нарушен.

Это событие называется распадом вакуума. Оно происходит быстро, чисто, безболезненно и способно уничтожить абсолютно все.

Для того чтобы распад вакуума произошел, его должно что-то спровоцировать, то есть заставить поле Хиггса отправиться на поиски предпочтительного [67] Разумеется, у поля Хиггса нет никаких предпочтений; оно просто ведет себя в соответствии со своим потенциалом. Однако то, как оно спустилось бы в состояние истинного вакуума, появись у него такая возможность, определенно создало бы впечатление, будто оно сделало это с особым энтузиазмом. для него минимума потенциала, соответствующего «истинному» вакууму. Таким триггером может послужить сверхмощный взрыв, катастрофическое испарение черной дыры или злосчастное квантовое туннелирование (о котором мы поговорим подробнее чуть позже). Если в любой точке космоса произойдет что-то подобное, будет запущен целый каскад апокалиптических событий, которому ничто во Вселенной не сможет противостоять.