قفل کیهانی: چگونه محیط می تواند میدان های کوانتومی را جدا کند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک مدل کیهان‌شناسی ساده‌شده نشان می‌دهد که ناهمدوسی می‌تواند تونل‌زنی کوانتومی را سرکوب کند، و به طور موثر میدان‌ها را در حالت خلاء که به آن رسیده‌اند قفل کند.

خلاء همیشه آنقدر خالی نیست. دیوید واندز، پروفسور مؤسسه کیهان‌شناسی و گرانش در دانشگاه پورتسموث توضیح می‌دهد: «وقتی در مورد خلاء در کیهان‌شناسی صحبت می‌کنیم، منظورمان کاملا خالی از انرژی نیست. خلاء بیشتر حالتی است که در آن یک میدان در حداقل انرژی خود قرار دارد. خلاء واقعی کمترین حداقل ممکن است، اما می‌تواند حداقل محلی نیز وجود داشته باشد که ما آن را خلاء کاذب می‌نامیم. می‌توانیم این را به‌عنوان منظره‌ای متشکل از دره‌هایی با اعماق مختلف تصور کنیم: خلاء واقعی عمیق‌ترین خلاء است، در حالی که خلاء دیگر خلاء کاذب است.

چیزی که در یکی از این فرورفتگی‌ها نشسته است، می‌تواند در آنجا «به دام افتاده» بماند، حتی اگر در جایی دیگر، حالتی با انرژی پایین‌تر وجود داشته باشد. این دقیقا همان چیزی است که می تواند برای میدان های کوانتومی، اجرام فیزیکی اساسی که در جهان نفوذ می کنند، بیفتد. میدان کلاسیک چیزی است که در هر موقعیتی در فضا مقداری دارد، مانند میدان مغناطیسی که قدرت آن از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر می کند. میدان‌های کوانتومی به روشی مشابه رفتار می‌کنند و برانگیختگی‌های آن‌ها به صورت ذرات ظاهر می‌شوند.

در مطالعه جدیدی که در مجله کیهان شناسی و فیزیک ذرات نجومی منتشر شده است، رابسون کریستی، جائو جو، گرگ کاپلانک، وینسنت ونین و دیوید واندز از یک مدل ساده شده برای بررسی اینکه چه چیزی تعیین می کند یک میدان ممکن است در یک جهان در حال انبساط قرار بگیرد، استفاده کردند.

برای درک اینکه چرا این سوال اهمیت دارد، نویسندگان به مورد میدان هیگز اشاره می کنند. مقدار خلاء آن به جرم دادن به ذرات مدل استاندارد کمک می کند - نظریه ای که ذرات اولیه شناخته شده و سه نیروی اساسی از چهار نیروی اساسی را توصیف می کند - و به تعیین ساختار فیزیک کم انرژی کمک می کند.

بر اساس برخی از محاسبات مبتنی بر مدل استاندارد، ممکن است میدان هیگز در کمترین حالت انرژی ممکن قرار نگیرد، بلکه در خلاء کاذب قرار گیرد، در حالی که در مقادیر میدان بسیار بزرگ، حداقل دوم و عمیق‌تر ممکن است وجود داشته باشد.

این مطالعه مستقیما در مورد میدان هیگز نیست، اما از آن به عنوان یک مثال عینی از آنچه می‌تواند اتفاق بیفتد زمانی که یک میدان در حداقل محلی به دام می‌افتد، استفاده می‌کند، حتی اگر یک حالت کم انرژی در دسترس باشد.

رابسون کریستی، محقق دانشکده ریاضی و فیزیک در دانشگاه پورتسموث و اولین نویسنده این مطالعه، توضیح می‌دهد: «در اصل، گذار به آن حداقل عمیق‌تر، جهان را به حالت کاملا متفاوتی می‌برد، که در آن ساختار ماده و نیروهای حاکم بر آن تغییر خواهند کرد».

چنین انتقالی می تواند توسط یک پدیده کوانتومی امکان پذیر شود. اجازه دهید به تصویر خلاء به عنوان دره هایی که توسط کوه ها از هم جدا شده اند بازگردیم. در فیزیک کلاسیک، سیستمی که در پایین دره کم عمق‌تر قرار دارد، تنها در صورتی می‌تواند به دره عمیق‌تر برسد که انرژی کافی برای بالا رفتن از کوه بین آنها را داشته باشد. برعکس، در مکانیک کوانتومی، وضعیت سیستم می‌تواند فراتر از مانع گسترش یابد و احتمال کمی برای ظاهر شدن آن در طرف دیگر باقی بماند: این تونل‌زنی کوانتومی است.

کریستی و همکارانش در کار خود یک مدل ساده ساختند تا بفهمند که چگونه محیط بر تکامل یک میدان تأثیر می گذارد.

بسیاری از محاسبات تونل زنی میدان را کاملا ایزوله می دانند. گرگ کاپلانک، محقق دانشگاه سیراکیوز در نیویورک توضیح می دهد: «اما می دانیم که انزوای کامل یک ایده آل سازی است. در واقعیت، میدان‌ها به‌طور پیوسته با میدان‌های دیگر و با آنچه که آنها را احاطه می‌کند – به عبارت دیگر، با محیطشان تعامل دارند.

به عنوان مثال، کامپیوترهای کوانتومی را در نظر بگیرید: ما برای محافظت از اطلاعات کوانتومی ذخیره شده در این ماشین‌ها در برابر محیط، تلاش زیادی می‌کنیم، زیرا حتی برهمکنش‌های ضعیف با آن می‌تواند به سرعت حالت کوانتومی را تغییر دهد. چیزی مشابه در کیهان‌شناسی اتفاق می‌افتد: یک میدان واقعا هرگز تنها نیست.

تعاملات با محیط باعث ایجاد پدیده ای می شود که به نام عدم انسجام شناخته می شود. یک سیستم کوانتومی می تواند در برهم نهی از احتمالات مختلف وجود داشته باشد: با استفاده از تشبیه یک سکه، این سیستم صرفا سر یا دم نیست، بلکه یک حالت کوانتومی است که هر دو احتمال را به طور همزمان شامل می شود. تعامل با محیط، حفظ این برهم نهی را به طور فزاینده ای دشوار می کند و باعث می شود که سیستم بیشتر و بیشتر شبیه یک سیستم کلاسیک معمولی رفتار کند.

در مدل نویسندگان، محیط با فیلدهای دیگری در تعامل با میدان اصلی نمایش داده می شود. دومی همچنین می تواند در ابتدا در یک برهم نهی کوانتومی باشد که هر دو خلاء را شامل می شود. با این حال، یکی از شگفتی های این مطالعه این است که به نظر نمی رسد محیط نقش تعیین کننده ای در انتخاب اولیه خلاء ایفا کند.

آنچه اهمیت بیشتری دارد این است که آیا میدان نسبت به مقیاس هابل، یعنی نسبت به سرعت انبساط جهان، «سبک» یا «سنگین» است.

کریستی توضیح می‌دهد: «میدانی که در مقایسه با مقیاس هابل سنگین است، می‌تواند به سرعت با تغییرات با انبساط جهان سازگار شود، و در این مورد به احتمال زیاد به سمت خلاء واقعی، عمیق‌ترین حداقل انرژی حرکت می‌کند».

برای زمین های سبک تر اتفاق متفاوتی می افتد. کریستی ادامه می‌دهد: «اگر گسترش در مقایسه با پویایی میدان خیلی سریع باشد، سیستم نمی‌تواند با تغییرات همگام شود. "در این صورت، احتمال زیادی وجود دارد که میدان نیز در خلاء کاذب قرار گیرد."

به عبارت دیگر، انتخاب اولیه بین خلاء واقعی و کاذب عمدتا تحت تأثیر رابطه بین دینامیک خود میدان و سرعت انبساط کیهانی است.

پس بیایید میدان نوری را تصور کنیم که به خلاء کاذب ختم شده است. بعد چه اتفاقی می افتد؟

در یک سیستم کوانتومی کاملا ایزوله، تونل زدن به سمت حداقل دیگر ممکن است. اما در مدل نویسندگان، برهمکنش با محیط باعث ایجاد ناپیوستگی می‌شود و ویژگی‌های کوانتومی مورد نیاز برای حفظ برهم نهی منسجم بین دو خلاء را از بین می‌برد.

کاپلانک توضیح می‌دهد: «نکته جالب این است که در درجه اول محیط نیست که تصمیم می‌گیرد میدان به کجا ختم شود. با این حال، هنگامی که میدان در یکی از این دو حداقل قرار می گیرد، ناهماهنگی تمایل به حفظ آن دارد. تونل زدن به سمت خلاء دیگر به شدت سرکوب می شود.

این پدیده‌ای است که نویسندگان آن را «قفل کیهانی» می‌نامند: نوعی قفل که میدان را در خلایی که به آن رسیده است تثبیت می‌کند. نویسندگان آن را به‌عنوان تجلی اثر زنو کوانتومی تفسیر می‌کنند: تحت شرایط خاص، یک سیستم کوانتومی که به طور مداوم نظارت می‌شود، می‌تواند در حرکت از یک حالت به حالت دیگر با مشکل بسیار بیشتری مواجه شود.

البته هیچ کس به معنای واقعی کلمه این میدان را در مدل مشاهده نمی کند. کاپلانک توضیح می دهد: «شما به یک ناظر آگاه نیاز ندارید. "محیط به طور مداوم اطلاعاتی در مورد وضعیت سیستم جمع آوری می کند. این فرآیند انسجام بین دو خلاء احتمالی را از بین می برد و تونل زدن از یکی به دیگری را بسیار دشوارتر می کند."

این کار یک مدل ساده شده باقی می ماند و نشان نمی دهد که خلاء هیگز فعلی ما توسط قفل کیهانی محافظت می شود. با این حال، نتیجه یک اصل جالب را نشان می‌دهد: تعامل با محیط می‌تواند خلاء کاذب را با سرکوب تونل زدن به سمت حالت دیگر پایدارتر کند.

واندز در پایان می‌گوید: «اگر مکانیزمی از این نوع در موقعیت‌های کیهانی واقعی‌تر مرتبط بود، می‌توانست به تثبیت میدانی کمک کند که در حال حاضر در خلاء کاذب قرار دارد. اما درک اینکه تا چه حد می توان این را در میدان هیگز اعمال کرد، نیاز به مدل های واقع بینانه تری دارد.

اگر میدان هیگز ما واقعا در یک خلاء کاذب قرار دارد، قفل کیهانی حداقل به یک احتمال اطمینان‌بخش اشاره می‌کند: تعامل با محیط اطراف می‌تواند به دشوارتر کردن انتقال به وضعیت کاملا متفاوت کمک کند.

قفل کیهانی: هنگامی که ناهماهنگی جهان را از تونل زنی نجات می دهد، مجله کیهان شناسی و فیزیک اختر ذرات (2026).

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →