چرا جهان هنوز پایدار مانده است؟ دانشمندان از پدیده‌ای عجیب در دنیای کوانتومی می‌گویند

یکی از نگرانی‌های اساسی در فیزیک بنیادی این است که جهان شاید آن‌قدرها هم که تصور می‌کنیم پایدار نباشد.

نظریه میدان‌های کوانتومی وجود میدان‌های نامرئی در سراسر جهان را توصیف می‌کند که ارتعاشات زیراتمی آن‌ها به شکل ذرات و ماده ظاهر می‌شوند.

این میدان‌ها معمولاً به سمت پایین‌ترین سطح انرژی ممکن حرکت می‌کنند؛ درست مانند تیله‌ای که در کف یک کاسه قرار می‌گیرد. بااین‌حال، برخی میدان‌ها ممکن است هنوز به حالت انرژی پایین‌تری دسترسی داشته باشند و در وضعیت فعلی خود به کمینه واقعی انرژی نرسیده باشند.

پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه که در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، به سرپرستی گروهی از دانشگاه پورتسموث در بریتانیا، یافته‌هایی امیدوارکننده ارائه داده‌اند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که میدان‌های کوانتومی ممکن است عملاً در وضعیت فعلی خود محبوس بمانند؛ موضوعی که می‌تواند توضیح دهد چرا جهان تاکنون پایداری خود را حفظ کرده است.

چرا پایداری جهان اهمیت دارد؟

این یافته‌ها به نگرانی‌هایی درباره پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی می‌پردازند؛ فرایندی که طی آن میدان‌ها می‌توانند بدون هشدار قبلی از یک حالت به حالت دیگر منتقل شوند. میدان هیگز که به ذراتی مانند الکترون جرم می‌بخشد، یکی از میدان‌هایی است که دانشمندان احتمال می‌دهند در یک خلأ کاذب قرار گرفته باشد.

رابسون کریستی، فیزیک‌دان دانشگاه پورتسموث، درباره پیامدهای احتمالی چنین تغییری گفت

از نظر نظری، انتقال به آن کمینه انرژی عمیق‌تر می‌تواند جهان را وارد وضعیتی کاملاً متفاوت کند؛ وضعیتی که در آن ساختار ماده و نیروهای حاکم بر آن دستخوش تغییر خواهند شد.

پژوهشگران برای بررسی این مسئله، یک مدل ریاضی از جهان در حال انبساط ساختند و رفتار میدان‌های کوانتومی را هنگام برهم‌کنش با یکدیگر مورد بررسی قرار دادند. این مدل در واقع شبیه‌سازی ساده‌شده‌ای از دره‌هایی با عمق متفاوت بود که هرکدام نمایانگر یک حالت انرژی هستند.

یکی از عناصر کلیدی این مدل، قرار گرفتن یک میدان در میان میدان‌های دیگر و بررسی تأثیر محیط اطراف بر آن بود. این موضوع با مفهوم واهمدوسی در رایانش کوانتومی ارتباط دارد؛ فرایندی که طی آن، برهم‌کنش یک سامانه کوانتومی حساس با محیط می‌تواند ویژگی‌های کوانتومی آن را مختل کند.

گرگ کاپلانک، دانشمند علوم رایانه از دانشگاه سیراکیوز در ایالت نیویورک، درباره دشواری جداسازی کامل سامانه‌های کوانتومی از محیط گفت

انزوای کامل صرفاً یک فرض ایده‌آل است. برای مثال، در رایانه‌های کوانتومی تلاش بسیار زیادی می‌کنیم تا اطلاعات کوانتومی ذخیره‌شده در این دستگاه‌ها را از محیط اطراف محافظت کنیم، زیرا حتی برهم‌کنش‌های ضعیف با محیط نیز می‌توانند حالت کوانتومی را در مدت کوتاهی تغییر دهند. در کیهان‌شناسی هم شرایط مشابهی وجود دارد و هیچ میدانی واقعاً به‌تنهایی قرار نمی‌گیرد.

پدیده حبس کیهانی چگونه عمل می‌کند؟

پژوهشگران بر اساس نتایج مدل خود دریافتند که همان‌طور که محیط اطراف می‌تواند در رایانه‌های کوانتومی باعث واهمدوسی و کاهش آثار کوانتومی شود، میدان‌های پیرامونی نیز قادرند احتمال وقوع برخی آثار کوانتومی را در میدان‌های دیگر محدود کنند. یکی از این آثار، تونل‌زنی فاجعه‌باری است که شاید میدان را از یک حالت انرژی به حالت دیگری منتقل کند.

گروه پژوهشی این سازوکار را حبس کیهانی نامیده است. بر اساس این ایده، احتمال جهش میدان‌ها میان دره‌های انرژی می‌تواند به‌شدت کاهش یابد، هرچند وقوع چنین انتقالی کاملاً غیرممکن نخواهد شد.

تحلیل مدل همچنین نشان داد که جرم یک میدان کوانتومی در مقایسه با مقیاس هابل، یعنی معیاری مرتبط با سرعت انبساط جهان، بر وضعیت انرژی‌ای که میدان در آن قرار می‌گیرد تأثیر می‌گذارد.

رابسون کریستی درباره تأثیر جرم میدان و سرعت انبساط جهان توضیح داد

میدانی که جرم آن در مقایسه با مقیاس هابل زیاد باشد، می‌تواند به‌سرعت خود را با تغییرات ناشی از انبساط جهان تطبیق دهد. در چنین شرایطی، احتمال زیادی وجود دارد که میدان به سمت خلأ واقعی، یعنی عمیق‌ترین کمینه انرژی، حرکت کند.

او در ادامه گفت

اگر سرعت انبساط جهان در مقایسه با پویایی میدان بیش از حد زیاد باشد، سامانه نمی‌تواند خود را با تغییرات هماهنگ کند. در این حالت، احتمال قابل‌توجهی وجود دارد که میدان همچنان در خلأ کاذب باقی بماند.

پژوهشگران این پدیده را با اثر زنوی کوانتومی نیز مقایسه کردند. بر اساس این اثر، یک سامانه کوانتومی ممکن است هنگام اندازه‌گیری یا پایش مداوم، از تغییر حالت بازبماند. در مدل مورد بررسی، برهم‌کنش میان میدان‌های کوانتومی می‌تواند نقشی مشابه این فرایند ایفا کند.

بنابراین، شاید بتوان با نگرانی کمتری به آینده و سرنوشت جهان نگاه کرد. بااین‌حال، پژوهشگران تأکید دارند که برای بررسی دقیق‌تر این فرضیه و تحلیل میدان‌های واقعی، از جمله میدان هیگز، به مدل‌های پیچیده‌تر و واقع‌گرایانه‌تری نیاز است.

دیوید وندز، کیهان‌شناس دانشگاه پورتسموث، درباره اهمیت این سازوکار و محدودیت‌های پژوهش گفت

اگر چنین سازوکاری در شرایط کیهان‌شناختی واقع‌گرایانه‌تر نیز مؤثر باشد، می‌تواند به پایداری میدانی کمک کند که از قبل در یک خلأ کاذب قرار گرفته است. بااین‌حال، برای درک میزان کاربرد این سازوکار درباره میدان هیگز، باید مدل‌های واقع‌گرایانه‌تری توسعه دهیم.

نتایج این پژوهش در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.