چرا جهان با وجود ناپایداری احتمالی میدان‌های کوانتومی همچنان پایدار است؟
آیا ممکن است جهان در هر لحظه در معرض تغییراتی بنیادین قرار داشته باشد که ساختار ماده و نیروهای طبیعت را دگرگون کند؟ پژوهش جدید فیزیک‌دانان نشان می‌دهد برهم‌کنش میدان‌های کوانتومی با محیط اطرافشان ممکن است از چنین تغییراتی جلوگیری کند و توضیحی برای پایداری جهان ارائه دهد.
به گزارش سیناپرس، بر اساس نظریه میدان‌های کوانتومی، ذرات و ماده از برانگیختگی میدان‌هایی شکل می‌گیرند که در سراسر جهان وجود دارند. این میدان‌ها تمایل دارند به حالت کمینه انرژی برسند؛ اما ممکن است برخی از آن‌ها در وضعیتی قرار گرفته باشند که کمینه واقعی انرژی نیست و امکان انتقال به حالتی پایدارتر برایشان وجود دارد.
این وضعیت که «خلأ کاذب» نامیده می‌شود، یکی از پرسش‌های مهم فیزیک بنیادی است. دانشمندان احتمال می‌دهند میدان هیگز، که در سازوکار ایجاد جرم ذراتی مانند الکترون نقش دارد، در چنین وضعیتی قرار گرفته باشد. اگر این میدان به حالت کمینه واقعی انرژی منتقل شود، ساختار ماده و نیروهای حاکم بر آن ممکن است به‌شکلی بنیادی تغییر کند.
برهم‌کنش‌های کوانتومی چگونه از تغییر ناگهانی جهان جلوگیری می‌کنند؟
پژوهشگران دانشگاه پورتسموث بریتانیا در مطالعه‌ای جدید، مدلی ریاضی از جهان در حال انبساط طراحی کردند تا رفتار میدان‌های کوانتومی و برهم‌کنش آن‌ها با یکدیگر را بررسی کنند.
یکی از نگرانی‌های دانشمندان، پدیده‌ای به نام «تونل‌زنی کوانتومی» است؛ فرایندی که طی آن یک سامانه کوانتومی می‌تواند بدون عبور کلاسیک از مانع انرژی، به حالت دیگری منتقل شود. در شرایط خاص، چنین انتقالی از خلأ کاذب به حالت کمینه واقعی انرژی می‌تواند پیامدهای بنیادینی برای جهان داشته باشد.
نتایج مدل‌سازی نشان داد میدان‌های کوانتومی به‌دلیل برهم‌کنش با میدان‌های پیرامون خود ممکن است کمتر دچار چنین تغییراتی شوند. پژوهشگران این سازوکار را «قفل‌شدگی کیهانی» نامیده‌اند؛ پدیده‌ای که احتمال جهش میان حالت‌های انرژی را به‌شدت کاهش می‌دهد، هرچند آن را به‌طور کامل ناممکن نمی‌کند.
این سازوکار با مفهوم «واهمدوسی کوانتومی» ارتباط دارد؛ فرایندی که در آن برهم‌کنش یک سامانه کوانتومی با محیط اطراف، ویژگی‌های کوانتومی آن را محدود می‌کند. نمونه‌ای از اهمیت این پدیده را می‌توان در رایانه‌های کوانتومی دید؛ جایی که حتی برهم‌کنش‌های ضعیف با محیط می‌توانند وضعیت کوانتومی اطلاعات را تغییر دهند.
انبساط جهان چه نقشی در پایداری میدان‌های کوانتومی دارد؟
پژوهشگران همچنین دریافتند نسبت جرم یک میدان کوانتومی به مقیاس هابل، که با نرخ انبساط جهان مرتبط است، می‌تواند بر وضعیت انرژی آن تأثیر بگذارد.
به گفته رابسون کریستی، فیزیک‌دان دانشگاه پورتسموث، میدان‌هایی که جرم آن‌ها در مقایسه با مقیاس هابل بیشتر است، می‌توانند سریع‌تر با تغییرات ناشی از انبساط جهان سازگار شوند و احتمال بیشتری دارد که به سمت خلأ واقعی، یعنی کمینه انرژی، حرکت کنند.
در مقابل، اگر انبساط جهان در مقایسه با پویایی میدان بیش از حد سریع باشد، میدان ممکن است نتواند خود را با این تغییرات هماهنگ کند و همچنان در وضعیت خلأ کاذب باقی بماند.
پژوهشگران این سازوکار را با «اثر زنون کوانتومی» نیز مقایسه می‌کنند؛ پدیده‌ای که در شرایط خاص، پایش مکرر یک سامانه کوانتومی می‌تواند مانع تغییر وضعیت آن شود.
آیا این یافته پایداری جهان را توضیح می‌دهد؟
این نتایج می‌توانند سرنخی برای توضیح پایداری جهان فراهم کنند، اما هنوز نمی‌توان آن‌ها را اثباتی قطعی درباره وضعیت میدان هیگز یا آینده جهان دانست.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که برای ارزیابی این سازوکار در شرایط واقعی کیهان، به مدل‌های پیچیده‌تر و بررسی دقیق‌تر میدان‌های کوانتومی نیاز است. دیوید وندز، کیهان‌شناس دانشگاه پورتسموث، نیز معتقد است اگر این سازوکار در شرایط واقعی کیهان مؤثر باشد، ممکن است به پایدار ماندن میدانی که در وضعیت خلأ کاذب قرار دارد کمک کند؛ با این حال، میزان کاربرد آن درباره میدان هیگز هنوز مشخص نیست.
این پژوهش در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده است.
