جهان ما توسط یکپدیده کوانتومیعجیب در جای خود قفل شده است که مانع از فروپاشی آن به حالتی کاملاً متفاوت می‌شود. این کشف جدید، نگرانی‌های دیرینه فیزیکدانان درباره پایداری کیهان را کاهش می‌دهد و درک ما از قوانین بنیادین طبیعت را عمیق‌تر می‌کند.

فیزیکدانان مدت‌ها در مورد پایداری بنیادین جهان هستی ابراز نگرانی کرده‌اند، زیرا نظریه میدان کوانتومی نشان می‌دهد میدان‌های انرژی ممکن است در حالتی غیرپایدار یا «خلاء کاذب» قرار داشته باشند. در صورت تغییر ناگهانی به حالت انرژی پایین‌تر، ساختار ماده و نیروهای حاکم بر آن کاملاً دگرگون خواهند شد. با این حال، مطالعه‌ای جدید در دانشگاه پورتسموث بریتانیا نشان می‌دهد که میدان‌های کوانتومی می‌توانند به طور مؤثر در جای خود «قفل» شوند و پایداری جهان را تضمین کنند.

نگرانی از «خلاء کاذب» و میدان هیگز

نظریه میدان کوانتومی به توضیح میدان‌های نامرئیانرژیمی‌پردازد که ذرات و ماده را به وجود می‌آورند. این میدان‌ها تمایل دارند به پایین‌ترین حالت انرژی خود دست یابند، مانند تیله‌ای که در ته کاسه آرام می‌گیرد.

نگرانی اصلی این است که برخی میدان‌ها، از جملهمیدان هیگزکه به ذرات جرم می‌دهد، ممکن است در یک «خلاء کاذب» قرار داشته باشند؛ حالتی که پایدار نیست. رابسون کریس، فیزیکدان از دانشگاه پورتسموث، می‌گوید: «در اصل، انتقال به این حداقل عمیق‌تر انرژی، جهان را وارد حالتی ریشه‌ای متفاوت می‌کند که در آن ساختار ماده و نیروهای حاکم بر آن تغییر می‌یابند.» یافته‌های جدید به نگرانی‌ها در مورد «تونل‌زنی کوانتومی» پاسخ می‌دهد که می‌تواند منجر به تغییر ناگهانی حالت میدان‌ها شود.

• کشف عجیب در فیزیک کوانتوم؛ «زمان منفی» قابل اندازه‌گیری است
• ناسا با ساخت حالت پنجم ماده در فضا، مرزهای فیزیک کوانتومی را جابه‌جا می‌کند
• دانشمندان یک دنیای کوانتومی پنهان را در داخل کبالت کشف کردند

«قفل کیهانی» چگونه جهان را پایدار نگه می‌دارد؟

پژوهشگران یک مدل ریاضی از جهان در حال انبساط را طراحی کردند و رفتار میدان‌های کوانتومی را هنگام تعامل با یکدیگر دنبال کردند. این مدل نشان داد که یک میدان که توسط میدان‌های دیگر احاطه شده است، تحت تأثیر محیط اطرافش قرار می‌گیرد. این مفهوم به «واهمدوسی» در رایانش کوانتومی شباهت دارد، جایی که سیستم‌های کوانتومی ظریف می‌توانند تحت تأثیر محیط دچار اختلال شوند. گرگ کاپلانک، دانشمند علوم کامپیوتر، می‌گوید: «انزوای کامل یک ایده‌آل است. همان‌طور که محیط اطراف می‌تواند باعث واهمدوسی و از دست دادن اثرات کوانتومی در رایانه‌ها شود، میدان‌های پیرامون نیز می‌توانند امکان بروز اثرات کوانتومی (رفتار فاجعه‌بار تونل‌زنی) را در میدان‌های کوانتومی محدود کنند.» تیم تحقیقاتی این پدیده را«قفل کیهانی»نامیده است؛ این بدان معناست که پرش از دره انرژی که فیزیکدانان نگران آن بودند، به شدت سرکوب می‌شود، هرچند غیرممکن نیست.

نقش جرم میدان‌ها و مقیاس هابل

تحلیل مدل همچنین نشان داد که جرم یک میدان کوانتومی در رابطه با سرعت انبساط جهان (مقیاس هابل) بر حالت انرژی اولیه‌ای که میدان در آن قرار می‌گیرد، تأثیر می‌گذارد. رابسون کریس توضیح می‌دهد: «اگر یک میدان نسبت به مقیاس هابل سنگین باشد، می‌تواند به سرعت با تغییرات ناشی از انبساط جهان سازگار شود و در این حالت به احتمال زیاد به سمت خلأ واقعی (عمیق‌ترین حداقل انرژی) حرکت می‌کند.» اما اگر انبساط بسیار سریع‌تر از دینامیک میدان باشد، سیستم نمی‌تواند خود را با تغییرات تطبیق دهد و احتمال قابل توجهی وجود دارد که میدان در همان خلاء کاذب باقی بماند.

پژوهشگران این یافته‌ها را با «اثر زنو کوانتومی» مقایسه می‌کنند؛ پدیده‌ای که طبق آن یک سیستم زمانی که تحت اندازه‌گیری یا پایش قرار می‌گیرد، حالت خود را تغییر نمی‌دهد و تعاملات میدان‌های کوانتومی نیز همین نقش را ایفا می‌کنند. با این حال، پژوهشگران اذعان دارند که برای بررسی بیشتر این ایده و تحلیل میدان‌های کوانتومی واقعی مانند میدان هیگز، به مدل‌های پیچیده‌تری نیاز است. دیوید واندز، کیهان‌شناس، بیان می‌کند: «اگر مکانیسمی از این دست در سناریوهای کیهان‌شناختی واقع‌بینانه‌تر کاربرد داشته باشد، می‌تواند به پایداری میدانی که در حال حاضر در یک خلاء کاذب قرار دارد، کمک کند.» این تحقیق در مجلهJournal of Cosmology and Astroparticle Physicsمنتشر شده است.