این راهی است که جهان به پایان می رسد: نه با یک انفجار، بلکه با فروپاشی خلاء کوانتومی حالت پایه جهان به حداقل واقعی خود.
جهان در گذشته دستخوش تغییر فازهای رادیکال شده است. این انتقال در نهایت منجر به تقسیم چهار نیروی طبیعی اصلی و ذراتی که امروزه می شناسیم. همه اینها زمانی اتفاق افتاد که کیهان کمتر از یک ثانیه عمر داشت و از آن زمان تاکنون پایدار بوده است.
اما ممکن است برای همیشه دوام نیاورد.
جهان ما: انفجار بزرگ تاکنون در 10 مرحله آسان
فضای تقسیم شده
برای پی بردن به پایداری جهان، ابتدا باید در مورد انتقال فاز صحبت کنیم. انتقال فاز زمانی است که یک ماده تحت یک تبدیل سریع و ریشه ای قرار می گیرد. آنها همیشه اتفاق می افتد. آب را می جوشانید و از مایع به گاز تبدیل می شود. همان آب را خنک می کنید و تبدیل به یک بلوک یخ می شود.
شاید عجیب ترین انتقال فاز آنهایی باشد که در میدان های کوانتومی رخ می دهد. میدان‌های کوانتومی بلوک‌های سازنده اصلی جهان هستند. هر نوع ذره - مثلاً یک فوتون یا یک الکترون - در واقع فقط تجلی محلی یک میدان اساسی است. این مزرعه مانند نان آغشته به روغن زیتون تمام فضا و زمان را جذب می کند. نحوه تعامل و ارتباط این میدان ها با یکدیگر، نیروها و فیزیک وجودی ما را تشکیل می دهد.
این وجود بر چهار نیروی اصلی استوار است: جاذبه زمین، توان کم، الکترومغناطیس و توان قوی. اما همیشه اینطور نبوده است. در اولین لحظات فضا، این نیروها متحد شدند. با انبساط و سرد شدن جهان، میدان‌های کوانتومی تحت انتقال فاز قرار می‌گیرند و یکی یکی تقسیم می‌شوند.
آخرین انتقال فاز زمانی رخ می دهد که نیروی الکترومغناطیسی از نیروی ضعیف جدا شود. این جدایی منجر به فوتون ها و بوزون های W و Z حامل این دو نیرو شد.
از آن رویدادی که زمانی رخ داد که جهان یک ثانیه قدیمی نبود، همه چیز پایدار است - نه جدایی، نه انتقال فاز. چهار نیروی طبیعت برای میلیاردها سال به شکل دادن و مجسمه سازی تکامل فضا ادامه داده اند.
تا آنجا که همه چیز به نظر می رسد، همه چیز ثابت است - به هر حال فعلا.
مطالب مرتبط: آیا چیزی خارج از کیهان وجود دارد؟
بالاخره آنقدرها هم پایدار نیست
سنجش ثبات کیهان دشوار است. البته بیش از 13 میلیارد سال از اتفاق جالبی مانند انتقال فاز می گذرد. بله، 13 میلیارد سال زمان زیادی است، اما در دنیای میدان های کوانتومی، هر چیزی ممکن است رخ دهد.
بهترین شرط ما برای مطالعه پایداری جهان از طریق جرم است بوزون هیگز. هیگز رشته بسیار جالبی است. وجود آن در جهان چیزی است که نیروی الکترومغناطیسی را از نیروی ضعیف جدا می کند و امروز این تقسیم را حفظ می کند. بدون بوزون هیگز، این نیروها دوباره ادغام می شوند.
که در فیزیک کوانتومهر چه یک واحد بزرگتر باشد، ناپایدارتر است. به عنوان مثال، ذرات عظیم به سرعت به ذرات سبک تر تجزیه می شوند. بنابراین اگر هیگز بسیار پرجرم باشد، ممکن است آنقدر که به نظر می رسد پایدار نباشد و ممکن است روزی به چیز دیگری تبدیل شود. اما اگر هیگز به اندازه کافی سبک باشد، احتمالا برای همیشه معلق خواهد ماند و دیگر چیزی برای گفتن در مورد آینده میدان های کوانتومی جهان وجود ندارد.
اندازه‌گیری‌های هیگز نشان داد که جرم او جهان را بین «واقعاً، صراحتاً پایدار» و «اوه، نه، کمی ناپایدار به نظر می‌رسد» قرار می‌دهد. فیزیکدانان این وضعیت را "دولت پایدار" می نامند - وضعیتی که تا کنون پایدار است، اما اگر مشکلی پیش بیاید می تواند به سرعت بدتر شود.
جستجو برای ثبات
فراپایداری ظاهری میدان های کوانتومی جهان کمی نگران کننده است. در حالی که ممکن است به این معنا باشد که جهان می‌تواند برای میلیاردها، حتی تریلیون‌ها سال، بدون هیچ مشکلی وجود داشته باشد، اما می‌تواند به این معنا باشد که جهان از قبل شروع به دگرگونی کرده است. تنها چیزی که لازم است کمی تکان خوردن در جهت اشتباه است، در بخشی تصادفی از جهان که هیگز در حال فروپاشی است و میدان‌های کوانتومی اصلی پیکربندی جدید و پایدارتری پیدا می‌کنند. سپس این منطقه از جهان "جدید" تقریباً به سمت گسترش می یابد سرعت نور از طریق جهان "قدیمی".
به این نوع انتقال فاز «واپاشی خلاء کاذب» می گویند. او به این ایده اشاره می کند که خلاء در جهان ما "جعلی" است - آنقدر که به نظر می رسد پایدار نیست و روزی به چیزی جدید تبدیل می شود.
تا زمانی که اطلاعاتی به دست آوردیم مبنی بر اینکه انتقال فاز در پیش است، این اتفاق می افتاد.
در سوی دیگر این جهان جدید چه خواهد بود؟ نمی توان گفت. می‌تواند کاملاً عادی باشد، با میدان‌های کوانتومی جدید درست مانند میدان‌های کوانتومی قدیمی، و هیچ ایرادی در آن وجود ندارد. این فقط می تواند یک تنظیم جزئی باشد، به عنوان یک تنظیم کوچک به ماهیت انرژی تاریک یا کمی با انبوه از نوترینو. یا می‌تواند کاملاً متفاوت باشد، با جهانی پر از نیروها، میدان‌ها و ذرات کاملاً جدید - که زندگی (و شیمی و اتم‌ها) را همانطور که میدانیم غیرممکن می‌کند.
البته ما حتی از معیار فراپایداری 100% مطمئن نیستیم. ما آن را میدانیم مدل استاندارد فیزیک ذرات ناقص است یک نسخه کامل می تواند درک ما از میدان های کوانتومی و جایی که خط "پایدار-ناپایدار" رسم شده است را بازنویسی کند.
با گوش دادن به پادکست Ask the Astronaut در دسترس بیشتر بیاموزید iTunes و askaspaceman.com. سوال خود را در توییتر با استفاده از #AskASpaceman یا دنبال کردن پل بپرسید @PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter.