Falskt vakuumförfall

Ett skalärt fält φ (som representerar fysisk position) i ett falskt vakuum. Energin E är högre i det falska vakuumet än i det verkliga vakuumet eller marktillståndet , men det finns en barriär som hindrar fältet från att klassiskt rulla ner till det verkliga vakuumet. Därför måste övergången till det verkliga vakuumet stimuleras genom skapandet av högenergipartiklar eller genom kvantmekanisk tunnling .

I kvantfältteorin är ett falskt vakuum ett hypotetiskt vakuum som är relativt stabilt, men inte i det mest stabila tillståndet som möjligt. Detta tillstånd är känt som metastabilt . Det kan pågå under mycket lång tid i det tillståndet, men kan så småningom förfalla till det mer stabila tillståndet, en händelse som kallas falsk vakuumförfall . Det vanligaste förslaget på hur ett sådant sönderfall kan ske i vårt universum kallas bubble nucleation – om en liten del av universum av en slump nådde ett stabilare vakuum, skulle denna "bubbla" (även kallad "studs") spridas.

Ett falskt vakuum existerar vid ett lokalt minimum av energi och är därför inte helt stabilt, till skillnad från ett sant vakuum, som existerar vid ett globalt minimum och är stabilt.

Definition av sant vs falskt vakuum

Ett vakuum definieras som ett utrymme med så lite energi som möjligt. Trots namnet har vakuumet fortfarande kvantfält . Ett sant vakuum är stabilt eftersom det är på ett globalt minimum av energi och antas vanligtvis sammanfalla med det fysiska vakuumtillståndet vi lever i. Det är möjligt att ett fysiskt vakuumtillstånd är en konfiguration av kvantfält som representerar ett lokalt minimum men inte globalt minimum av energi. Denna typ av vakuumtillstånd kallas ett "falskt vakuum".

Implikationer

Existentiellt hot

Om vårt universum befinner sig i ett falskt vakuumtillstånd snarare än ett verkligt vakuumtillstånd, kan förfallet från det mindre stabila falska vakuumet till det mer stabila sanna vakuumet (kallat falskt vakuumförfall) få dramatiska konsekvenser. Effekterna kan sträcka sig från fullständigt upphörande av existerande fundamentala krafter , elementarpartiklar och strukturer som utgör dem, till subtila förändringar i vissa kosmologiska parametrar, mest beroende på den potentiella skillnaden mellan sant och falskt vakuum. Vissa scenarier för falskt vakuumförfall är kompatibla med överlevnad av strukturer som galaxer och stjärnor eller till och med biologiskt liv medan andra involverar fullständig förstörelse av baryonisk materia eller till och med omedelbar gravitationskollaps av universum, även om det i detta mer extrema fall är sannolikheten för en "bubbla". bildandet kan vara mycket lågt (dvs. falskt vakuumsönderfall kan vara omöjligt).

En artikel av Coleman och de Luccia som försökte inkludera enkla gravitationsantaganden i dessa teorier noterade att om detta var en korrekt representation av naturen, så skulle det resulterande universum "inne i bubblan" i ett sådant fall verka extremt instabilt och nästan kollapsa omedelbart:

I allmänhet gör gravitationen sannolikheten för vakuumförfall mindre; i det extrema fallet med mycket liten energitäthetsskillnad kan den till och med stabilisera det falska vakuumet, vilket helt och hållet förhindrar vakuumförfall. Vi tror att vi förstår detta. För att vakuumet ska sönderfalla måste det vara möjligt att bygga en bubbla med total energi noll. I frånvaro av gravitation är detta inga problem, oavsett hur liten skillnaden mellan energitäthet är; allt man behöver göra är att göra bubblan tillräckligt stor, och volym/yta-förhållandet kommer att göra jobbet. I närvaro av gravitation, dock förvränger den negativa energitätheten för det verkliga vakuumet geometrin i bubblan med resultatet att, för en tillräckligt liten energitäthet, finns det ingen bubbla med tillräckligt stort volym/yta-förhållande. Inom bubblan är effekterna av gravitationen mer dramatiska. Geometrin för rum-tid inuti bubblan är den för anti-de Sitter-rymden , ett utrymme som liknar konventionella de Sitter-rymden förutom att dess grupp av symmetrier är O(3, 2) snarare än O(4, 1). Även om denna rum-tid är fri från singulariteter, är den instabil under små störningar och drabbas oundvikligen av gravitationskollaps av samma sort som sluttillståndet för ett sammandragande Friedmann- universum . Den tid som krävs för det inre universums kollaps är i storleksordningen ... mikrosekunder eller mindre.

Möjligheten att vi lever i ett falskt vakuum har aldrig varit en jubel att tänka på. Vakuumförfall är den ultimata ekologiska katastrofen; i det nya vakuumet finns nya naturkonstanter; efter vakuumförfall är inte bara livet som vi känner det omöjligt, det är även kemin som vi känner den. Emellertid skulle man alltid kunna dra stoisk tröst från möjligheten att kanske med tiden det nya vakuumet skulle upprätthålla, om inte livet som vi känner det, åtminstone vissa strukturer som kan känna glädje. Denna möjlighet har nu eliminerats.

Det andra specialfallet är förfall till ett utrymme av försvinnande kosmologisk konstant, fallet som gäller om vi nu lever i skräpet av ett falskt vakuum som förföll vid någon tidig kosmisk epok. Detta fall presenterar oss för mindre intressant fysik och med färre tillfällen för retoriskt överskott än det föregående. Det är nu det inre av bubblan som är det vanliga Minkowski-utrymmet ...

— Sidney Coleman och Frank De Luccia

I en artikel från 2005 publicerad i Nature , som en del av deras undersökning av globala katastrofrisker , beräknar MIT-fysikern Max Tegmark och Oxford-filosofen Nick Bostrom de naturliga riskerna för jordens förstörelse till mindre än 1/10 ⁹ per år från alla naturliga ( icke-antropogena) händelser, inklusive en övergång till ett lägre vakuumtillstånd. De hävdar att på grund av observatörens urvalseffekter kan vi underskatta chanserna att bli förstörda av vakuumförfall eftersom all information om denna händelse skulle nå oss först i det ögonblick då vi också förstördes. Detta i motsats till händelser som risker från nedslag, gammastrålning , supernovor och hypernovor , vars frekvenser vi har lämpliga direkta mätningar.

Inflation

Ett antal teorier tyder på att kosmisk inflation kan vara en effekt av att ett falskt vakuum förfaller till det verkliga vakuumet. Uppblåsningen i sig kan vara konsekvensen av Higgsfältet fångat i ett falskt vakuumtillstånd med Higgs självkopplande λ och dess β _λ -funktion mycket nära noll på planckskalan . En framtida elektron-positronkolliderare skulle kunna ge de exakta mätningar av toppkvarken som behövs för sådana beräkningar.

Kaotisk inflationsteori antyder att universum kan vara i antingen ett falskt vakuum eller ett sant vakuumtillstånd. Alan Guth , i sitt ursprungliga förslag för kosmisk inflation, föreslog att inflation skulle kunna sluta genom kvantmekanisk bubbelkärnbildning av det slag som beskrivs ovan. Se historien om kaotisk inflationsteori . Man förstod snart att ett homogent och isotropiskt universum inte kunde bevaras genom den våldsamma tunnlingsprocessen. Detta ledde till att Andrei Linde och, oberoende av varandra, Andreas Albrecht och Paul Steinhardt , föreslog "ny inflation" eller "långsam rullningsinflation" där ingen tunnling inträffar, och det inflationära skalära fältet istället grafer som en svag lutning.

År 2014 föreslog forskare vid den kinesiska vetenskapsakademins Wuhan Institute of Physics and Mathematics att universum kunde ha skapats spontant från ingenting (inget rum , tid eller materia ) av kvantfluktuationer av metastabilt falskt vakuum som orsakade en expanderande bubbla av sant Vakuum.

Vakuumförfallssorter

Elektrosvagt vakuumförfall

Elektrosvagt vakuumstabilitetslandskap enligt uppskattning 2012

Elektrosvagt vakuumstabilitetslandskap enligt uppskattning 2018. T _RH är storslagen föreningsenergi. ξ är graden av icke-minimal koppling mellan fundamentala krafter.

Stabilitetskriterierna för den elektrosvaga interaktionen formulerades först 1979 som en funktion av massorna av den teoretiska Higgs-bosonen och den tyngsta fermion . Upptäckten av toppkvarken 1995 och Higgs-bosonen 2012 har gjort det möjligt för fysiker att validera kriterierna mot experiment, därför anses den elektrosvaga interaktionen sedan 2012 vara den mest lovande kandidaten för en metastabil grundkraft . Den motsvarande falska vakuumhypotesen kallas antingen 'Electroweak vakuum instability' eller 'Higgs vakuum instability'. Det nuvarande falska vakuumtillståndet kallas $dS$ ( de Sitter space ), medan preliminärt sant vakuum kallas $AdS$ ( Anti-de Sitter space ).

Diagrammen visar osäkerhetsintervallen för Higgs boson och toppkvarkmassor som ovala linjer. Underliggande färger indikerar om det elektrosvaga vakuumtillståndet sannolikt är stabilt, bara långlivat eller helt instabilt för en given kombination av massor. Hypotesen "elektroweak vakuum decay" rapporterades ibland fel som att Higgs-bosonen "slutade" universum. En 125,18±0,16 GeV/ c ² Higgs bosonmassa är sannolikt på den metastabila sidan av stabil-metastabil gräns (uppskattad 2012 till 123,8–135,0 GeV .) Ett definitivt svar kräver dock mycket mer exakta mätningar av toppkvarkens pol massa , även om förbättrad mätprecision av Higgs boson och toppkvarkmassor ytterligare förstärkte påståendet om att fysiskt elektrosvagt vakuum var i det metastabila tillståndet från och med 2018. Ändå kan ny fysik utöver Standardmodellen för partikelfysik drastiskt förändra stabilitetslandskapets indelningslinjer, vilket gör tidigare stabilitets- och metastabilitetskriterier felaktiga.

Om mätningar av Higgs-bosonen och toppkvarken tyder på att vårt universum ligger i ett falskt vakuum av detta slag, skulle detta, mer än troligt om många miljarder år, innebära att bubblans effekter kommer att fortplanta sig över universum med nästan ljusets hastighet från dess ursprung i rum-tid.

Andra förfallslägen

• Försämring till lägre vakuumförväntningsvärde , vilket resulterar i minskning av Casimir-effekten och destabilisering av protoner .
• Förfall till vakuum med större neutrinomassa (kan ha hänt så sent som för några miljarder år sedan).
• Förfall till vakuum utan mörk energi .

Bubbla kärnbildning

När det falska vakuumet avtar, bildas det verkliga vakuumet med lägre energi genom en process som kallas bubble nucleation . I denna process orsakar instantoneffekter en bubbla som innehåller det verkliga vakuumet. Bubblans (eller domänväggarna ) väggar har en positiv ytspänning , eftersom energi förbrukas när fälten rullar över den potentiella barriären till det verkliga vakuumet. Den förra tenderar att vara kuben för bubblans radie medan den senare är proportionell mot kvadraten på dess radie, så det finns en kritisk storlek $R_{c}$ där bubblans totala energi är noll; mindre bubblor tenderar att krympa, medan större bubblor tenderar att växa. För att kunna bilda kärnor måste bubblan övervinna en energibarriär av höjd

$\Phi _{c}={\frac {3\gamma }{4R^{2}}}-\Delta \Phi ,$

 

 

 

 

()

där $\Delta \Phi$ är skillnaden i energi mellan det sanna och falska vakuumet, $\gamma$ är den okända (möjligen extremt stora) ytspänningen för domänväggen, och $R$ är bubblans radie. Omskrivning Ekv. 1 ger den kritiska radien som

$R_{c}={\sqrt {\frac {3\gamma }{4\Delta \Phi }}}.$

 

 

 

 

()

En bubbla som är mindre än den kritiska storleken kan övervinna den potentiella barriären via kvanttunnelering av instanton till lägre energitillstånd. För en stor potentiell barriär ges tunnelhastigheten per volymenhet av utrymmet av

$\omega \approx {\frac {1}{\gamma }}{\sqrt {\frac {2\Phi _{c}}{\ hbar }}}e^{-\Phi _{c}/\hbar },$

 

 

 

 

()

där $\hbar$ är den reducerade Planck-konstanten . Så snart en bubbla av lågenergivakuum växer bortom den kritiska radien som definieras av Ekv. 2 kommer bubblans vägg att börja accelerera utåt. På grund av den typiskt stora skillnaden i energi mellan det falska och det sanna vakuumet, närmar sig väggens hastighet ljusets hastighet extremt snabbt. Bubblan ger inga gravitationseffekter eftersom den negativa energitätheten i bubblans inre upphävs av väggens positiva kinetiska energi.

Små bubblor av verkligt vakuum kan blåsas upp till kritisk storlek genom att tillhandahålla energi, även om erforderliga energidensiteter är flera storleksordningar större än vad som uppnås i någon naturlig eller artificiell process. Man tror också att vissa miljöer kan katalysera bubbelbildning genom att sänka den potentiella barriären.

Bubbelväggen har en ändlig tjocklek, beroende på förhållandet mellan energibarriär och energivinst som erhålls genom att skapa verkligt vakuum. I det fall då potentiell barriärhöjd mellan sant och falskt vakuum är mycket mindre än energiskillnaden mellan vakuum, blir skaltjockleken jämförbar med kritisk radie.

Kärnbildningsfrön

Ytterligare information: Relativistisk Heavy Ion Collider § Kritiker av högenergiexperiment och säkerhet vid högenergipartikelkollisionsexperiment § Large Hadron Collider

I allmänhet tros gravitationen stabilisera ett falskt vakuumtillstånd, åtminstone för övergång från $dS$ ( de Sitter space ) till $AdS$ ( Anti-de Sitter space ), medan topologiska defekter inklusive kosmiska strängar och magnetiska monopoler kan öka sannolikheten för sönderfall.

Svarta hål som kärnbildande frön

I en studie 2015 påpekades att vakuumsönderfallshastigheten kunde ökas avsevärt i närheten av svarta hål, som skulle fungera som kärnbildningsfrö . Enligt denna studie skulle ett potentiellt katastrofalt vakuumförfall kunna utlösas när som helst av ursprungliga svarta hål , om de skulle existera. Författarna noterar dock att om primordiala svarta hål orsakar en falsk vakuumkollaps så borde det ha hänt långt innan människan utvecklades på jorden. En efterföljande studie 2017 indikerade att bubblan skulle kollapsa till ett ursvart hål snarare än att härröra från det, antingen genom vanlig kollaps eller genom att böja rymden på ett sådant sätt att den bryter av till ett nytt universum. Under 2019 fann man att även om små icke-snurrande svarta hål kan öka verklig vakuumkärnbildningshastighet, kommer snabbt snurrande svarta hål att stabilisera falska vakuum till sönderfallshastigheter som är lägre än förväntat för platt rymdtid.

Om partikelkollisioner producerar minisvarta hål kan energiska kollisioner som de som produceras i Large Hadron Collider (LHC) utlösa en sådan vakuumförfallshändelse, ett scenario som har uppmärksammats av nyhetsmedia. Det är sannolikt orealistiskt, för om sådana minisvarta hål kan skapas i kollisioner, skulle de också skapas i de mycket mer energiska kollisioner av kosmiska strålningspartiklar med planetytor eller under universums tidiga liv som trevande primordiala svarta hål . Hut och Rees noterar att eftersom kosmiska strålkollisioner har observerats vid mycket högre energier än de som produceras i terrestra partikelacceleratorer, bör dessa experiment inte, åtminstone under överskådlig framtid, utgöra ett hot mot vårt nuvarande vakuum. Partikelacceleratorer har nått energier på endast cirka åtta teraelektronvolt (8×10 ¹² eV) . Kosmiska strålkollisioner har observerats vid och bortom energier på 5×10 ¹⁹ eV , sex miljoner gånger kraftigare – den så kallade Greisen–Zatsepin–Kuzmin-gränsen – och kosmiska strålar i närheten av ursprunget kan vara kraftfullare än. John Leslie har hävdat att om nuvarande trender fortsätter, kommer partikelacceleratorer att överstiga den energi som avges i naturligt förekommande kosmiska strålkollisioner till år 2150. Farhågor av detta slag togs upp av kritiker av både den relativistiska tunga jonkollideraren och den stora hadronkollideraren kl . tidpunkten för deras respektive förslag, och fastställts vara ogrundade av vetenskaplig undersökning.

I en tidning från 2021 av Rostislav Konoplich och andra postulerades det att området mellan ett par stora svarta hål på gränsen till att kollidera skulle kunna ge förutsättningar för att skapa bubblor av "verkligt vakuum". Skärande ytor mellan dessa bubblor kan då bli oändligt täta och bilda mikrosvarta hål. Dessa skulle i sin tur avdunsta genom att sända ut Hawking-strålning inom 10 millisekunder eller så innan de större svarta hålen kolliderade och slukade eventuella bubblor eller mikrosvarta hål i deras väg. Teorin skulle kunna testas genom att leta efter Hawking-strålningen som sänds ut precis innan de svarta hålen smälter samman.

Bubblans förökning

Bubbelväggen, som fortplantar sig utåt med nästan ljusets hastighet, har en ändlig tjocklek, beroende på förhållandet mellan energibarriär och energivinst som erhålls genom att skapa verkligt vakuum. I det fall då potentiell barriärhöjd mellan sant och falskt vakuum är mycket mindre än energiskillnaden mellan vakuum, blir bubbelväggtjockleken jämförbar med kritisk radie.

Elementära partiklar som kommer in i väggen kommer sannolikt att förfalla till andra partiklar eller svarta hål. Om alla sönderfallsvägar leder till mycket massiva partiklar, kan energibarriären för sådant sönderfall resultera i en stabil bubbla av falskt vakuum (kallad Fermi-kula ) som omsluter den falska vakuumpartikeln istället för omedelbart sönderfall. Objekt med flera partiklar kan stabiliseras som Q-kulor , även om dessa objekt så småningom kommer att kollidera och sönderfalla antingen till de svarta hålen eller sanna vakuumpartiklar.

Falskt vakuumförfall i skönlitteratur

Falsk vakuumförfallshändelse används ibland som en handlingsanordning i verk som föreställer en domedagshändelse .

• 1988 av Geoffrey A. Landis i sin science fiction-novell Vacuum States
• 2000 av Stephen Baxter i hans science fiction-roman Time
• 2002 av Greg Egan i hans science fiction-roman Schild's Ladder
• 2008 av Koji Suzuki i hans science fiction-roman Edge
• 2015 av Alastair Reynolds i hans science fiction-roman Poseidons Wake

Se även

• Eternal inflation – Hypotetisk inflationsuniversummodell
• Superkylning – Sänker temperaturen på en vätska under dess fryspunkt utan att den blir fast
• Överhettning – Upphettning av en vätska till en temperatur över dess kokpunkt utan att koka
• Void – Enorma tomma utrymmen mellan filament med få eller inga galaxer

Vidare läsning

•   Johann Rafelski och Berndt Muller (1985). Det strukturerade vakuumet – tänker på ingenting . Harri Deutsch. ISBN 978-3-87144-889-8 .
•   Sidney Coleman (1988). Aspekter av symmetri: Utvalda Erice-föreläsningar . ISBN 978-0-521-31827-3 .

externa länkar

• SimpleBounce på GitHub beräknar den euklidiska åtgärden för studslösningen som bidrar till det falska vakuumförfallet.
•   Rafelski, Johann ; Müller, Berndt (1985). Det strukturerade vakuumet – att tänka på ingenting (PDF) . ISBN 3-87144-889-3 .
• Guth, Alan . "En evighet av bubblor?" . PBS . Arkiverad från originalet 2012-08-25.

• Odenwald, Sten (1983). "Det falska vakuumets förfall" .

• på YouTube – Joel Thorarinson