Нашей Вселенной 13,7 миллиардов лет, но, согласно последним исследованиям в области физики, она может находиться в опасно нестабильном состоянии. Источник этой угрозы лежит в нестабильности фундаментальной частицы, называемой бозон Хиггса. В этой статье объясняется, как частица Хиггса может потенциально повлиять на судьбу Вселенной и почему наша Вселенная все еще существует, основываясь на новейших научных исследованиях.
Что такое частица Хиггса?
Частица Хиггса, открытая в 2012 году, является элементарной частицей, которая придает массу всем другим частицам. Чтобы объяснить это на примере из повседневной жизни, частица Хиггса взаимодействует с другими частицами, как люди, идущие по снегу, замедляя их движение и, таким образом, придавая им массу.
Существование частицы Хиггса говорит нам о том, что особое поле, называемое «полем Хиггса», пронизывает всю Вселенную. Вы можете представить это поле как тихий бассейн воды, простирающийся по всей Вселенной. Этот «бассейн» имеет одинаковые свойства по всему космосу, вот почему мы можем наблюдать одни и те же законы физики везде во Вселенной.
Нестабильность поля Хиггса
Текущее состояние поля Хиггса считается «метастабильным». Метастабильность относится к состоянию, которое кажется стабильным, но потенциально может перейти в более стабильное состояние. Наиболее подходящим примером будет чашка, поставленная на край стола. Чашка не упадет немедленно, но может упасть, если слегка потревожить ее.
Аналогично, хотя поле Хиггса кажется стабильным сейчас, теоретически оно может перейти в состояние с более низкой энергией. Если бы такой переход произошел, это драматически изменило бы законы физики, которые мы знаем.
Это изменение называется «фазовым переходом». Фазовый переход — это явление, при котором состояние вещества изменяется резко, как вода, превращающаяся в лед или пар. Если бы фазовый переход произошел в поле Хиггса, это создало бы в пространстве «пузыри» с совершенно другими физическими законами.
Чтобы представить эти «пузыри», подумайте о пузырях в кипящей воде. Однако внутри пузырей поля Хиггса известные нам законы физики больше не будут применяться. Например, масса электронов могла бы внезапно измениться, и атомы могли бы стать нестабильными. Другими словами, если бы такое изменение произошло, наш мир мог бы исчезнуть в одно мгновение.
Продолжительность жизни Вселенной
Недавние измерения массы частиц в Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН предполагают, что такое событие теоретически возможно. Однако не стоит беспокоиться. Это, вероятно, произойдет через триллионы триллионов лет, временной интервал, который в тысячи миллиардов раз дольше нынешнего возраста Вселенной.
Именно поэтому физики говорят, что Вселенная «метастабильна», а не «нестабильна». Конец мира не является неминуемым. Это похоже на стояние на вершине высокой горы. Есть возможность упасть в долину, но для этого потребуется огромное количество энергии и маловероятно, что это произойдет скоро.
Для формирования пузырей в поле Хиггса нужен какой-то триггер. Согласно квантовой механике, энергия поля Хиггса постоянно колеблется, но статистически образование пузырей является чрезвычайно редким событием. Это похоже на мелкие волны, иногда появляющиеся на спокойной поверхности озера.
Однако при наличии внешних источников энергии, таких как сильные гравитационные поля или горячая плазма, поле Хиггса могло бы легче заимствовать эту энергию для образования пузырей. Это похоже на создание больших волн, бросая камень в озеро.
Стабильность во ранней Вселенной
Может возникнуть вопрос, не сделали ли экстремальные условия вскоре после рождения Вселенной образование пузырей в поле Хиггса более вероятным. Однако, в период, когда Вселенная была чрезвычайно горячей, тепловые эффекты, как считается, изменили квантовые свойства поля Хиггса, стабилизировав его.
Это похоже на то, как горячий металл становится мягче и более устойчивым к деформации. В результате, это тепло не вызвало конца Вселенной, и поэтому мы все еще существуем сегодня.
Влияние первичных черных дыр
Недавние исследования показали, что «первичные черные дыры», которые могли существовать в ранней Вселенной, потенциально могут вызывать образование пузырей в поле Хиггса. Первичные черные дыры — это специальные черные дыры, которые, как считается, образовались из-за коллапса чрезвычайно плотных регионов пространства-времени вскоре после рождения Вселенной.
В 1970-х годах Стивен Хокинг продемонстрировал, что из-за квантовых эффектов черные дыры медленно испаряются, излучая радиацию. Это похоже на то, как горячие объекты остывают. В частности, легкие первичные черные дыры с массой менее нескольких сотен миллиардов граммов должны были уже испариться.
Эти первичные черные дыры могут вести себя как примеси в газированных напитках, потенциально способствуя образованию пузырей в поле Хиггса. Точно так же, как примеси в газированных напитках служат местами зарождения пузырей, первичные черные дыры могли бы стать «семенами» для пузырей поля Хиггса.
По мере испарения первичных черных дыр они локально нагревают Вселенную, создавая горячие точки, которые теплее, чем окружающая Вселенная. Это похоже на то, как капли воды энергично испаряются, попадая на горячую сковороду.
Исследовательская группа, используя комбинацию аналитических расчетов и численных симуляций, показала, что наличие этих горячих точек могло бы потенциально вызывать постоянное образование пузырей в поле Хиггса.
Формирование Вселенной без (сверху) и с (снизу) первичными черными дырами. Esa, CC BY-NC-SA
Заключение и перспективы на будущее
Однако мы все еще существуем. Это говорит о том, что вероятность существования легких первичных черных дыр очень низка. На самом деле, нам, возможно, придется исключить многие космологические сценарии, которые предсказывают их существование.
Тем не менее, если доказательства существования первичных черных дыр в прошлом будут обнаружены в древнем излучении или гравитационных волнах, это будет еще более увлекательным развитием событий. Это может указывать на то, что есть что-то, о чем мы пока не знаем относительно поля Хиггса, возможно, указывая на существование новых частиц или сил. Это было бы похоже на открытие неизвестного континента.
В любом случае, очевидно, что нас еще ждет множество открытий относительно Вселенной как в её наименьших, так и в крупнейших масштабах. Исследование частицы Хиггса будет ключом к пониманию судьбы Вселенной. Это похоже на расшифровку страницы в огромной книге космоса. С большим нетерпением ждём дальнейших научных разработок.
The Conversation
