Вскоре после того, как в 2013 году было подтверждено существование бозона Хиггса, Стандартная модель физики частиц некоторое время казалась завершённой. Однако поле Хиггса, квантом которого является эта частица, подкинуло множество странных и даже пугающих вопросов о природе массы и самого пространства-времени. Абстрагируемся на время от вопроса о том, сколько на самом деле может существовать бозонов Хиггса, и затронем в этой статье проблему истинного и ложного вакуума, которая связана с природой массы и энергии во Вселенной. Феномен «истинного вакуума» в противовес ложному впервые описал в статье 1977 года Сидни Коулман (1937 — 2007).

Именно поле Хиггса, квантом которого является открытый в 2012 году бозон, сообщает массу всем материальным объектам, а также задаёт минимальный уровень энергии пространства, который понимается как энергия вакуума. Однако энергия того вакуума, в котором покоится наша Вселенная, может представлять собой лишь локальный, а не глобальный энергетический минимум. В таком случае «наш» вакуум является мнимым или ложным, и нельзя исключать, что в нём в результате квантовых флуктуаций может случайно образоваться более низкоэнергетический регион или даже спонтанно расширяющаяся область, заполненная истинным вакуумом.

В любой физической системе обязательно найдётся как минимум одна такая конфигурация, в которой эта система будет содержать минимально возможное для неё количество энергии. Этот принцип действует на всех уровнях, от галактического до атомного. Так, изолированная от остальной Вселенной область пространства с минимальной энергией превращается в чёрную дыру. В свою очередь, атом, содержащий минимальное количество энергии, должен состоять ровно из одного протона и одного электрона — и это атом водорода (протия) в основном состоянии. В данном случае речь идёт о стабильном долгоживущем атоме, а некоторые другие экзотические атомы с подобным составом я рассматривал в статье «Кварковый конструктор. О протоне, его аддонах и спиноффах». Наконец, применительно ко всей Вселенной такой конфигурацией было бы пустое пространство, не содержащее никаких источников энергии, не испытывающее воздействия ни внешних, ни внутренних сил. Такое состояние было бы «истинным вакуумом», либо «более низкоэнергетическим вакуумом», чем наблюдаемый нами в окружающем космосе.

Нулевая энергия и происхождение вакуума

В физике такое состояние называется «нулевой энергией» или «энергией нулевой точки» системы. Логично использовать это состояние в качестве «точки отсчёта» при измерении всей энергии и массы и определять как «0».

Таким образом, чтобы получить среду, похожую на подлинный вакуум, нужно удалить из некоторой области пространства:

• Обычную материю, состоящую из атомов.

• Излучение.

• Нейтрино.

• Внешние электрические и магнитные поля, попадающие в эту область.

• Саму энергию вакуума и кривизну пространства-времени.

Согласно современным представлениям, последний пункт из этого списка невыполним, так как вакуум находится в постоянной динамике, даже если в нём отсутствуют какие-либо точечные источники энергии или поля, обладающие энергией. На Хабре есть подробная статья уважаемого @dionisdimetor о природе вакуума и его разновидностях «Вакуум – пустота или полнота? Виртуальные частицы, квантовая пена, излучения Хокинга и Унру», в которой особое внимание уделено «квантовой пене». Квантовая пена — это гипотетический феномен, представляющий собой флуктуации квантовых полей, заполняющих вакуум. В результате таких флуктуаций постоянно рождаются и аннигилируют эфемерные частицы, также называемые «виртуальными». Именно эти процессы наполняют вакуум энергией, предохраняющей ткань пространства-времени от распада. Если бы можно было каким-то образом избавиться и от энергии вакуума, то вакуум стал бы дезинтегрироваться. В таком случае можно было бы наблюдать переход из «ложного вакуума» в «истинный», с одной оговоркой — «если бы мы успели». Вполне возможно, что этот переход произошёл бы со скоростью Большого Взрыва, привёл к исчезновению поля Хиггса, исчезновению (пересчёту?) массы и, следовательно, всего существующего.

Возможно, существование виртуальных частиц — лишь метафора, описывающая свойства энергии вакуума, но, каковы бы ни были источники этой энергии, она выше нуля. Соответственно, можно представить себе состояние вакуума, которое будет более низкоэнергетическим, чем у нынешней Вселенной, но всё равно выше нуля. В этом и заключается отличие между подлинно нулевой энергией и энергией нулевой точки.  

Поле Хиггса задаёт массу электронов и кварков, и базовое значение поля Хиггса определённо является положительным. Если бы можно было откорректировать это значение (что немедленно отразилось бы на свойствах бозона Хиггса, вернее, позволило бы зарегистрировать «другой» бозон Хиггса), то массы элементарных частиц увеличились бы или уменьшились, что необратимо изменило бы как структуру, так и размер атомов. Если в какой-то области пространства значение поля Хиггса обнулится, то масса кварков и электронов также станет равной нулю, и они исчезнут.

Здесь обращусь к концепции «космического ландшафта», популяризованной в одноимённой книге Леонарда Сасскинда.

По мысли Сасскинда (которая в более строгих научных формулировках развивается здесь), наша Вселенная могла сформироваться в области пространства, для которой характерны не слишком высокие уровни энергии. Отмечу, что эти выкладки делались за несколько лет до открытия бозона Хиггса и даже до пуска Большого Адронного Коллайдера. При таких уровнях энергии скалярное поле Хиггса сохраняет положительное значение, а массы электронов, протонов и нейтронов остаются такими, при которых могут существовать атомы.

Рассмотрим атом водорода-протия, в котором один электрон занимает орбиталь вокруг единственного протона (в атомах дейтерия и трития, тяжёлых изотопах водорода, кроме протона присутствуют ещё, соответственно, один нейтрон у дейтерия и два нейтрона у трития).

Если бы протон (ядро атома) и электрон были маленькими классическими телами, подобными звездам и планетам, то, во-первых, электрон мог бы обращаться вокруг ядра по орбите на любом расстоянии, в пределах которого действует притяжение ядра. Расстояние зависело бы только от скорости электрона и, соответственно, от его кинетической и потенциальной энергии. Во-вторых, электрон мог бы упасть на ядро и лежать на нём (соприкасаться с ним). Но этого не происходит, поскольку электрон — это квантовая частица, и он может находиться на строго определённых энергетических уровнях, причём занимать на своём уровне вероятностное положение. Вот как выглядит атом водорода в квантовом понимании:

Эта модель демонстрирует два факта, важных в контексте рассматриваемой нами темы: 1) в квантовомеханической системе состояние с нулевой энергией не может иметь отрицательную величину, поскольку не существует отрицательной энергии и 2) переход из более высокоэнергетического состояния в более низкоэнергетическое — это квантовый скачок, то есть такой переход является резким, а не плавным. 

Вакуум, в котором постоянно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы, также имеет квантовомеханическую природу, поэтому все поля, в том числе, поле Хиггса, могут существовать лишь на дискретных энергетических уровнях. Один из них соответствует наблюдаемой в нашей Вселенной энергии вакуума. Но он определённо не является нулевым, а соответствует лишь локальному минимуму, с которого теоретически можно скатиться в другой, более низкий локальный минимум.

Напомню, что общая теория относительности Эйнштейна является классической (в отличие от квантовой теории поля), но и в той, и в другой признаётся наличие нулевой энергии, значение которой определяет саму структуру пространства-времени. Но в общей теории относительности считается, что кривизна пространства-времени является тем фактором, от которого зависит распределение материи и энергии в пространстве, а также зависит движение материи и энергии. Материя и энергия обусловливают кривизну пространства-времени, а эта кривизна обусловливает динамику материи и энергии. В нашей Вселенной кривизна пространства-времени ненулевая, и может оставаться такой практически вечно, вплоть до тепловой смерти Вселенной.

В квантовой теории поля всё иначе. Кипение квантовой пены — это вероятностный процесс, поэтому в любой момент один из её пузырьков может туннелировать в состояние с более низкой энергией, подобно тому, как электрон может преодолеть энергетический барьер. 

Идею о том, что квантовомеханическая система может обладать нулевой энергией, сформулировал ещё Макс Планк в 1911 году. Пока не существует экспериментально подтверждённой и непротиворечивой теории квантовой гравитации, приходится описывать гравитацию в рамках эйнштейновской теории относительности, а остальные три фундаментальных взаимодействия — сильное, слабое и электромагнитное — успешно описывает квантовая механика. Поэтому феномен нулевой энергии сосуществует в классическом и квантовом понимании, но квантовое туннелирование, не наблюдаемое в макромире, в микромире является рядовым и даже управляемым феноменом. Существует и вероятность дезинтеграции ложного вакуума, в котором покоится наша Вселенная.

Распад вакуума и метастабильная Вселенная

Давайте подробнее обсудим поле Хиггса, пронизывающее всю Вселенную. Подобно электрическому полю, поле Хиггса обладает потенциалом, а значит, в разных точках пространства его значение варьируется. Кроме того, поле Хиггса — единственное известное в природе скалярное поле, а подробное изучение свойств бозона Хиггса подсказывает, что этому полю потребовалось некоторое время, чтобы устояться в современных значениях, и именно на этот период пришлись эпохи инфляционного расширения и разогревания Вселенной, когда происходило первичное перераспределение материи и энергии. Теоретические модели подсказывают, что по мере приближения формы четырёхмерного пространства-времени к де Ситтеровской геометрии, состояние вакуума с высокой вероятностью является метастабильным, а не стабильным, то есть допускает квантовое туннелирование в истинный вакуум. В случае такого перехода определённо изменятся, как минимум, массы бозона Хиггса и истинного кварка, из-за чего нарушится Стандартная модель физики частиц.

Если Вселенная действительно метастабильна, то пузырёк истинного вакуума в ложном может возникнуть (в том числе, случайно) в результате естественного или искусственного высокоэнергетического события. Варианты подобных событий рассматривает в своей статье 2023 года Алессандро Струмиа с физического факультета Пизанского университета, описывая варианты различных опытов с бомбардировкой бозона Хиггса. Он приходит к выводу, что пузырёк истинного вакуума может возникнуть при энергиях порядка 10¹⁰ гигаэлектронвольт (ГэВ). Для сравнения: Большой Адронный Коллайдер рассчитан на столкновения до 7000 ГэВ. Струмиа в своей статье полагает, что для того, чтобы искусственно спровоцировать распад ложного вакуума, можно одновременно бомбардировать высокоэнергетическими пучками тысячи бозонов Хиггса. В качестве естественного триггера такого события он предполагает столкновение двух первичных чёрных дыр, существование которых пока остаётся гипотетическим. По мнению Струмиа, в определённых условиях пузырёк истинного вакуума можно было бы стабилизировать в субатомных масштабах и использовать в качестве источника практически неисчерпаемой энергии, но в принципе предлагаю вам самостоятельно оценить его выкладки.

Учитывая наши современные представления об инфляционной эпохе в истории Вселенной, Большой Взрыв подозрительно похож на акт туннелирования в более низкоэнергетический («наш») вакуум. Масса бозона Хиггса подсказывает, что наша Вселенная находится где-то на грани нарушения симметрии электрослабого взаимодействия — это взаимодействие между элементарными частицами, в которое при энергиях выше 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. При нарушении этого взаимодействия мы рискуем соскользнуть в реальность, где масса протона и массы кварков примут непредсказуемые значения. Это приведёт к дезинтеграции атомов, и мы едва ли даже успеем понять, что случилось. Известные нам законы физики, вероятно, перестанут действовать.

Впрочем, ничего подобного в природе не происходит, даже при близких контактах чёрных дыр, порождающих гравитационные волны. Возможно, мы ошибаемся в расчётах, либо описываемый сценарий крайне маловероятен, либо мы вообще не вполне верно представляем себе динамику Большого Взрыва. Переход в истинный вакуум можно было бы считать научной фантастикой, но всё-таки совсем недавно аналогичный процесс удалось смоделировать сначала на квантовом компьютере, а потом и в лабораторных условиях. Об этом расскажу в заключительной части статьи.  

Симуляция на квантовом компьютере и в лаборатории

В феврале 2025 года уважаемый @vsradkevich опубликовал на Хабре статью «Вселенная в 5564 кубитах: квантовый компьютер моделирует коллапс ложного вакуума». Вообще эта статья в большей степени посвящена прогрессу в квантовых вычислениях, поэтому подробнее расскажу о том опыте, который автор выбрал в качестве её зачина.

Исследование было проведено в июне 2024 года под руководством Джаки Водеба и Златко Папича, а статья опубликована в феврале 2025 года в журнале «Nature». Над опытом работали физики из университета Лидса, исследовательского центра в Юлихе и Австрийского института науки и технологий (ISTA). Команда воспользовалась «квантовым отжигателем» (quantum annealer) на 5564 кубитах, смоделировав спуск квантовой системы на энергетические уровни, более низкие по сравнению с исходным.

Этот процесс аналогичен падению из ложного вакуума в истинный и помогает вывести уравнения, которые им управляют. Процесс моделировали как задачу на оптимизацию, то есть как поиск наилучшего решения из набора возможностей. Действительно, система показала, что пузырьки истинного вакуума могут массово формироваться после фазового перехода, подобно вскипанию жидкости при понижении атмосферного давления. Пузырьки истинного вакуума не только образуются в виде пены, но и быстро сливаются друг с другом, что объясняет их стремительное распространение. Возможно, такой процесс «вскипания» точнее описывает события в начале существования Вселенной, чем метафора «взрыва».  

Параллельно с этими разработками в начале 2024 года группа итальянских и английских учёных под руководством Габриэле Феррари и Джакомо Лампорези из университета Тренто смогла впервые наблюдать в лабораторных условиях фазовый переход, аналогичный падению в истинный вакуум (абсолютное основное состояние). Статья об этом также была опубликована в журнале «Nature». Физики использовали атомы натрия, заключённые в оптической ловушке и охлаждённые до температуры менее одного микрокельвина. У них получилась поляризованная сверхтекучая жидкость в таком метастабильном состоянии, в котором, предположительно, находится наш вакуум. Далее при содействии теоретиков из университета Ньюкасла команде удалось продемонстрировать, как в этой жидкости образуются пузырьки в более низкоэнергетическом состоянии, которые объединяются в более крупные пузыри и далее выстраиваются вдоль линий магнитного поля. Переход происходил спонтанно в результате квантовых флуктуаций и туннелирования одного из атомов в более низкоэнергетическое состояние. Схема опыта представлена на этой иллюстрации.

Заключение

Я бы хотел отметить, что описанные здесь опыты и выкладки, которые ещё 20 лет назад казались апокалиптическими сюжетами, состоялись благодаря развитию вычислительной техники, а именно — совершенствованию квантовых компьютеров и разработке кубитов. Определённо, возможность перехода квантовой системы в более низкоэнергетическое состояние должна настораживать, так как вакуум имеет фундаментально квантовую природу, а свойства поля Хиггса, задающего параметры массы элементарных частиц, пока только изучаются. Возможно, когда будут достоверно получены и изучены новые бозоны Хиггса и охарактеризовано семейство таких частиц, станет понятнее, как их взаимодействия могут сказываться на стабильности вакуума. Спонтанное туннелирование ложного вакуума в истинный остаётся крайне маловероятным событием, которое невозможно спрогнозировать, предотвратить или как-то повлиять на него. Но мне было бы интересно почитать, как эти новые опыты согласуются с теоретическими моделями провешивания искусственных червоточин и создания варп-пузырей, поскольку такие опыты требуют напрямую оперировать «настройками» параметров вакуума.