Πώς τα σύμπαντα μπορεί να σχηματίσουν φυσαλίδες και να συγκρούονται
Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.
Τι βρίσκεται πέρα από όλα όσα μπορούμε να δούμε; Το ερώτημα μπορεί να φαίνεται αναπάντητο. Ωστόσο, ορισμένοι κοσμολόγοι έχουν μια απάντηση:Το σύμπαν μας είναι μια διογκούμενη φούσκα. Έξω από αυτό, υπάρχουν περισσότερα σύμπαντα με φυσαλίδες, όλα βυθισμένα σε μια αιώνια διαστελλόμενη και ενεργοποιημένη θάλασσα — το πολυσύμπαν.
Η ιδέα είναι πολωτική. Μερικοί φυσικοί αγκαλιάζουν το πολυσύμπαν για να εξηγήσουν γιατί η φυσαλίδα μας φαίνεται τόσο ιδιαίτερη (μόνο ορισμένες φυσαλίδες μπορούν να φιλοξενήσουν ζωή), ενώ άλλοι απορρίπτουν τη θεωρία ότι δεν κάνουν ελεγχόμενες προβλέψεις (καθώς προβλέπει όλα τα πιθανά σύμπαντα). Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές αναμένουν ότι απλώς δεν ήταν αρκετά έξυπνοι για να επεξεργαστούν ακόμη τις ακριβείς συνέπειες της θεωρίας.
Τώρα, διάφορες ομάδες αναπτύσσουν νέους τρόπους για να συμπεράνουν πώς ακριβώς σχηματίζονται φυσαλίδες και τι συμβαίνει όταν αυτά τα σύμπαντα φυσαλίδων συγκρούονται.
«Είναι μακρινό», είπε ο Jonathan Braden, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο που συμμετέχει στην προσπάθεια, αλλά, είπε, είναι μια αναζήτηση αποδεικτικών στοιχείων «για κάτι που νόμιζες ότι δεν θα μπορούσες ποτέ να δοκιμάσεις».
Η υπόθεση του πολυσύμπαντος προέκυψε από τις προσπάθειες κατανόησης της γέννησης του σύμπαντος μας. Στη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος, οι θεωρητικοί βλέπουν σημάδια μιας εκρηκτικής αύξησης κατά τη βρεφική ηλικία του σύμπαντος. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, καθώς οι φυσικοί ερεύνησαν πώς το διάστημα μπορεί να άρχισε -και σταμάτησε- να φουσκώνει, εμφανίστηκε μια ανησυχητική εικόνα. Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ενώ το διάστημα μπορεί να έχει σταματήσει να φουσκώνει εδώ (στο σύμπαν των φυσαλίδων μας) και εκεί (σε άλλες φυσαλίδες), τα κβαντικά φαινόμενα θα πρέπει να συνεχίσουν να διογκώνουν το μεγαλύτερο μέρος του διαστήματος, μια ιδέα γνωστή ως αιώνιος πληθωρισμός.
Η διαφορά μεταξύ των συμπάντων με φυσαλίδες και του περιβάλλοντός τους οφείλεται στην ενέργεια του ίδιου του διαστήματος. Όταν ο χώρος είναι όσο το δυνατόν άδειος και δεν μπορεί να χάσει περισσότερη ενέργεια, υπάρχει σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν «αληθινή» κατάσταση κενού. Σκεφτείτε μια μπάλα που βρίσκεται στο πάτωμα - δεν μπορεί να πέσει άλλο. Αλλά τα συστήματα μπορεί επίσης να έχουν «ψευδείς» καταστάσεις κενού. Φανταστείτε μια μπάλα σε ένα μπολ σε ένα τραπέζι. Η μπάλα μπορεί να κυλήσει λίγο, ενώ λίγο πολύ μένει στη θέση της. Αλλά ένα αρκετά μεγάλο τράνταγμα θα το προσγειώσει στο πάτωμα—στο πραγματικό κενό.
Στο κοσμολογικό πλαίσιο, ο χώρος μπορεί να κολλήσει παρομοίως σε μια κατάσταση ψευδούς κενού. Ένα κομμάτι ψευδούς κενού περιστασιακά χαλαρώνει σε αληθινό κενό (πιθανότατα μέσω ενός τυχαίου κβαντικού γεγονότος) και αυτό το αληθινό κενό θα εκτοξεύεται προς τα έξω ως διογκούμενη φυσαλίδα, γεμάτη από την περίσσεια ενέργειας του ψευδούς κενού, σε μια διαδικασία που ονομάζεται ψευδής διάσπαση κενού. Είναι αυτή η διαδικασία που μπορεί να ξεκίνησε το σύμπαν μας με έκρηξη. «Μια φυσαλίδα κενού θα μπορούσε να ήταν το πρώτο γεγονός στην ιστορία του σύμπαντός μας», δήλωσε η Hiranya Peiris, κοσμολόγος στο University College του Λονδίνου.
Αλλά οι φυσικοί αγωνίζονται σκληρά για να προβλέψουν πώς συμπεριφέρονται οι φυσαλίδες κενού. Το μέλλον μιας φούσκας εξαρτάται από αμέτρητες μικρές λεπτομέρειες που αθροίζονται. Οι φυσαλίδες αλλάζουν επίσης γρήγορα - τα τοιχώματα των κληρονόμων πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός καθώς πετούν προς τα έξω - και διαθέτουν κβαντομηχανική τυχαιότητα και κυματισμό. Διαφορετικές υποθέσεις σχετικά με αυτές τις διαδικασίες δίνουν αντικρουόμενες προβλέψεις, χωρίς τρόπο να πούμε ποιες μπορεί να μοιάζουν με την πραγματικότητα. Είναι σαν να "δέχτηκες πολλά πράγματα με τα οποία είναι πολύ δύσκολο να τα αντιμετωπίσουν οι φυσικοί και τα συνδύασες όλα μαζί και είπες:"Προχωρήστε και μάθετε τι συμβαίνει", είπε ο Braden.
Δεδομένου ότι δεν μπορούν να δημιουργήσουν πραγματικές φυσαλίδες κενού στο πολυσύμπαν, οι φυσικοί έχουν αναζητήσει ψηφιακά και φυσικά ανάλογα τους.
Μια ομάδα προσπάθησε πρόσφατα από μια απλή προσομοίωση συμπεριφορά που μοιάζει με φυσαλίδα κενού. Οι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του John Preskill, ενός εξέχοντος θεωρητικού φυσικού στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, ξεκίνησαν με «την [πιο] μωρή εκδοχή αυτού του προβλήματος που μπορείτε να σκεφτείτε», όπως το έθεσε ο συν-συγγραφέας Ashley Milsted:μια σειρά περίπου 1.000 ψηφιακά βέλη που θα μπορούσαν να δείχνουν προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Το μέρος όπου μια σειρά από κυρίως προς τα πάνω βέλη συναντούσε μια σειρά από βέλη σε μεγάλο βαθμό προς τα κάτω, σημάδευε έναν τοίχο με φυσαλίδες, και γυρίζοντας τα βέλη, οι ερευνητές μπορούσαν να κάνουν τους τοίχους με φυσαλίδες να κινούνται και να συγκρουστούν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό το μοντέλο μιμείται τέλεια τη συμπεριφορά πιο περίπλοκων συστημάτων στη φύση. Οι ερευνητές ήλπιζαν να το χρησιμοποιήσουν για να προσομοιώσουν ψευδή διάσπαση κενού και συγκρούσεις φυσαλίδων.
Στην αρχή η απλή ρύθμιση δεν λειτουργούσε ρεαλιστικά. Όταν οι τοίχοι με φυσαλίδες συντρίβονταν μεταξύ τους, αναπήδησαν τέλεια, χωρίς καμία από τις αναμενόμενες περίπλοκες αντηχήσεις ή εκροές σωματιδίων (με τη μορφή αναποδογυρισμένων βελών που κυματίζουν στη γραμμή). Αλλά μετά την προσθήκη κάποιων μαθηματικών άνθησης, η ομάδα είδε συγκρουόμενους τοίχους που εκτόξευαν ενεργητικά σωματίδια—με περισσότερα σωματίδια να εμφανίζονται καθώς οι συγκρούσεις γίνονταν πιο βίαιες.
Ωστόσο, τα αποτελέσματα, τα οποία εμφανίστηκαν σε προεκτύπωση τον Δεκέμβριο του 2020, προμηνύουν ένα αδιέξοδο σε αυτό το πρόβλημα για τον παραδοσιακό υπολογισμό. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι καθώς τα σωματίδια που προκύπτουν αναμειγνύονται, «μπλέκονται», μπαίνοντας σε μια κοινή κβαντική κατάσταση. Η κατάστασή τους γίνεται εκθετικά πιο περίπλοκη με κάθε επιπλέον σωματίδιο, πνίγοντας τις προσομοιώσεις ακόμη και στους ισχυρότερους υπερυπολογιστές.
Για αυτόν τον λόγο, οι ερευνητές λένε ότι περαιτέρω ανακαλύψεις σχετικά με τη συμπεριφορά των φυσαλίδων μπορεί να χρειαστεί να περιμένουν ώριμους κβαντικούς υπολογιστές—συσκευές των οποίων τα υπολογιστικά στοιχεία (qubits) μπορούν να χειριστούν την κβαντική εμπλοκή επειδή τη βιώνουν από πρώτο χέρι.
Εν τω μεταξύ, άλλοι ερευνητές ελπίζουν να πείσουν τη φύση να κάνει τα μαθηματικά για αυτούς.
Ο Michael Spannowsky και ο Steven Abel, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο, πιστεύουν ότι μπορούν να παρακάμψουν τους δύσκολους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας μια συσκευή που παίζει με τους ίδιους κβαντικούς κανόνες που κάνει το κενό. «Εάν μπορείτε να κωδικοποιήσετε το σύστημά σας σε μια συσκευή που είναι υλική στη φύση, δεν χρειάζεται να το υπολογίσετε», είπε ο Spannowsky. "Γίνεται περισσότερο ένα πείραμα παρά μια θεωρητική πρόβλεψη."
Αυτή η συσκευή είναι γνωστή ως κβαντικός ανόπτησης. Ένας περιορισμένος κβαντικός υπολογιστής, εξειδικεύεται στην επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης αφήνοντας τα qubits να αναζητούν τη ρύθμιση παραμέτρων χαμηλότερης ενέργειας που είναι διαθέσιμη—μια διαδικασία που δεν μοιάζει με την ψευδή διάσπαση κενού.
Χρησιμοποιώντας έναν εμπορικό κβαντικό ανόπτη που ονομάζεται D-Wave, ο Abel και ο Spannowsky προγραμμάτισαν μια συμβολοσειρά περίπου 200 qubits για να μιμηθούν ένα κβαντικό πεδίο με κατάσταση υψηλότερης και χαμηλότερης ενέργειας, ανάλογη με ένα ψευδές κενό και ένα αληθινό κενό. Έπειτα άφησαν το σύστημα να χαλαρώσει και παρακολούθησαν πώς το πρώτο διασπάστηκε στο δεύτερο—οδηγώντας στη γέννηση μιας φυσαλίδας κενού.
Το πείραμα, που περιγράφηκε σε μια προεκτύπωση τον Ιούνιο του 2020, απλώς επαλήθευσε γνωστά κβαντικά φαινόμενα και δεν αποκάλυψε τίποτα νέο σχετικά με τη διάσπαση του κενού. Ωστόσο, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τελικά το D-Wave για να ξεπεράσουν τις τρέχουσες θεωρητικές προβλέψεις.
Μια τρίτη προσέγγιση στοχεύει να αφήσει πίσω τους υπολογιστές και να φυσήξει απευθείας τις φυσαλίδες.
Οι κβαντικές φυσαλίδες που φουσκώνουν σχεδόν με ταχύτητα φωτός δεν είναι εύκολο να βρεθούν, αλλά το 2014, φυσικοί στην Αυστραλία και τη Νέα Ζηλανδία πρότειναν έναν τρόπο να φτιάξουν μερικές στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας μια εξωτική κατάσταση ύλης γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC ). Όταν ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, ένα λεπτό νέφος αερίου μπορεί να συμπυκνωθεί σε ένα BEC, του οποίου οι ασυνήθιστες κβαντομηχανικές ιδιότητες περιλαμβάνουν την ικανότητα παρεμβολής με ένα άλλο BEC, όπως δύο λέιζερ μπορούν να παρεμβαίνουν. Εάν δύο συμπυκνώματα παρεμβαίνουν με τον σωστό τρόπο, προέβλεψε η ομάδα, οι πειραματιστές θα πρέπει να μπορούν να καταγράφουν απευθείας εικόνες φυσαλίδων που σχηματίζονται στο συμπύκνωμα—αυτές που δρουν παρόμοια με τις υποτιθέμενες φυσαλίδες του πολυσύμπαντος.
«Επειδή είναι ένα πείραμα, περιέχει εξ ορισμού όλη τη φυσική που θέλει να βάλει η φύση, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών και των κλασικών εφέ», είπε ο Πέιρις.
Ο Peiris ηγείται μιας ομάδας φυσικών που μελετούν πώς να σταθεροποιήσουν το μίγμα συμπυκνωμάτων ενάντια στην κατάρρευση από άσχετα αποτελέσματα. Μετά από χρόνια δουλειάς, αυτή και οι συνάδελφοί της είναι επιτέλους έτοιμοι να δημιουργήσουν ένα πρωτότυπο πείραμα και ελπίζουν να φυσούν φυσαλίδες συμπυκνώματος τα επόμενα χρόνια.
Εάν όλα πάνε καλά, θα απαντήσουν σε δύο ερωτήσεις:τον ρυθμό με τον οποίο σχηματίζονται οι φυσαλίδες και πώς το φούσκωμα μιας φούσκας αλλάζει τις πιθανότητες να φουσκώσει μια άλλη φούσκα κοντά. Αυτά τα ερωτήματα δεν μπορούν καν να διατυπωθούν με τα τρέχοντα μαθηματικά, είπε ο Braden, ο οποίος συνέβαλε στη θεωρητική βάση για το πείραμα.
Αυτές οι πληροφορίες θα βοηθήσουν κοσμολόγους όπως ο Braden και ο Peiris να υπολογίσουν ακριβώς πώς ένα χτύπημα από ένα γειτονικό σύμπαν με φυσαλίδες στο μακρινό παρελθόν θα μπορούσε να τρέμει τον κόσμο μας. Μια πιθανή ουλή από μια τέτοια συνάντηση θα ήταν ένα κυκλικό κρύο σημείο στον ουρανό, το οποίο ο Peiris και άλλοι έψαξαν και δεν βρήκαν. Αλλά άλλες λεπτομέρειες - όπως το αν η σύγκρουση παράγει επίσης βαρυτικά κύματα - εξαρτώνται από άγνωστες ιδιαιτερότητες της φυσαλίδας.
Αν το πολυσύμπαν είναι απλώς ένας αντικατοπτρισμός, η φυσική μπορεί να επωφεληθεί από την αφθονία των εργαλείων που αναπτύσσονται για να το αποκαλύψει. Για να κατανοήσουμε το πολυσύμπαν σημαίνει να κατανοήσουμε τη φυσική του διαστήματος, που υπάρχει παντού.
Η ψευδής διάσπαση του κενού «φαίνεται σαν ένα πανταχού παρόν χαρακτηριστικό της φυσικής», είπε ο Πέιρις, και «προσωπικά δεν πιστεύω ότι οι υπολογισμοί της θεωρίας με μολύβι και χαρτί θα μας οδηγήσουν εκεί».
Ο Charlie Wood είναι ένας δημοσιογράφος που καλύπτει τις εξελίξεις στις φυσικές επιστήμες τόσο εντός όσο και εκτός του πλανήτη. Το έργο του εμφανίστηκε στο Scientific American, Το Christian Science Monitor και LiveScience, μεταξύ άλλων εκδόσεων. Προηγουμένως, δίδασκε φυσική και αγγλικά στη Μοζαμβίκη και την Ιαπωνία, ενώ έχει πτυχίο φυσικής από το Πανεπιστήμιο Brown.
