Svemir bi mogao nestati bez upozorenja. Fizičari su sada simulirali taj scenarij

Jedan od najneugodnijih teorijskih scenarija za sudbinu svemira ne počinje urušavanjem galaksija ni sporim hlađenjem kozmosa, nego kvantnim prijelazom u samoj strukturi vakuuma. Fizičari su sada u laboratoriju simulirali raspad lažnog vakuuma, proces u kojem bi se, prema teoriji, svojstva svemira mogla promijeniti bez ikakvog upozorenja.

Eksperiment ne znači da je svemir u opasnosti, niti postoje dokazi da živimo u takvom nestabilnom stanju. Njegova je vrijednost u nečem drugom: pokazuje da se jedan od najteže zamislivih kvantnih scenarija može proučavati u kontroliranom sustavu, s pomoću neobično velikih Rydbergovih atoma.

Kraj svemira koji ne mora čekati daleku budućnost

Kada se govori o kraju svemira, najčešće se zamišljaju procesi koji pripadaju gotovo nezamislivo dalekoj budućnosti. U jednom scenariju svemir se nastavlja širiti dok ne postane hladan, taman i razrijeđen. U drugom bi se njegovo širenje jednom moglo zaustaviti, nakon čega bi se sve ponovno urušilo u iznimno gusto stanje.

Raspad lažnog vakuuma posve je drukčija ideja. On ne ovisi o životnom vijeku zvijezda, sudarima galaksija ili konačnoj sudbini širenja svemira. U središtu tog scenarija nalazi se pitanje je li vakuum našeg svemira doista najstabilnije moguće stanje.

Što je lažni vakuum i zašto bi njegov raspad promijenio svemir?

U fizici vakuum nije obična praznina. Čak i kada u nekom području nema atoma, plina, prašine ni svjetlosti, ondje i dalje postoje kvantna polja. Ona su temeljna podloga stvarnosti: iz njih proizlaze čestice, sile i svojstva materije.

Najstabilnije moguće stanje tih polja naziva se pravi vakuum. To je stanje najniže energije, svojevrsno dno iz kojeg sustav više nema kamo prijeći u stabilnije stanje. Lažni vakuum bio bi drukčiji slučaj. Izgledao bi stabilno, mogao bi trajati jako dugo, ali ne bi bio pravo najniže energetsko stanje.

Drugim riječima, svemir bi mogao biti u stanju koje se čini konačnim i postojanim, iako ispod njega u teoriji postoji dublje, stabilnije stanje. Ako bi se negdje dogodio prijelaz iz lažnog u pravi vakuum, nastao bi mjehurić novog stanja. Taj bi se mjehurić, prema teoriji, širio brzinom svjetlosti.

Iza njegove granice svemir više ne bi morao imati ista fizikalna svojstva. Mogla bi se promijeniti pravila prema kojima postoje čestice, atomi, molekule, zvijezde i planeti. Za bilo što unutar našeg svemira to ne bi bio događaj koji bi se mogao vidjeti, izbjeći ili preživjeti, jer se promjena ne bi mogla najaviti prije nego što stigne.

To zvuči dramatično, ali razlika između teorijske mogućnosti i stvarne prijetnje ovdje je presudna. Nema dokaza da se naš svemir nalazi u lažnom vakuumu. Novi eksperiment nije tražio pukotinu u stvarnosti, nego je izgradio laboratorijski sustav koji se ponaša prema sličnim kvantnim pravilima.

Prsten Rydbergovih atoma kao mali model velikog pitanja

Za simulaciju su korišteni Rydbergovi atomi. To su atomi čiji su elektroni pobuđeni u vrlo visoka energetska stanja. Zbog toga se nalaze na mnogo udaljenijim orbitalama nego u običnim atomima, pa takvi atomi mogu postati golemi na atomskoj ljestvici.

U nekim slučajevima Rydbergovi atomi mogu biti deset tisuća do sto tisuća puta veći od istih atoma u nepobuđenom stanju. Upravo ih ta neobična veličina čini korisnima u pokusima u kojima se želi precizno upravljati kvantnim stanjima.

U novom eksperimentu fizičari su ih rasporedili u prsten. Svaki atom bio je smješten uz atom suprotnog spina, čime je nastao izmjenični obrazac. Taj je raspored predstavljao stabilno osnovno stanje sustava, svojevrsni laboratorijski ekvivalent pravog vakuuma.

Zatim je laserskim zračenjem sustavu dodana energija. Time su spinovi atoma dovedeni u poravnato stanje. U toj konfiguraciji prsten više nije bio u najstabilnijem stanju, nego u višem energetskom stanju koje može potrajati, ali se može i raspasti. Upravo je to bila laboratorijska inačica lažnog vakuuma.

Takav model ne tvrdi da je svemir doslovno prsten atoma niti da se kozmički vakuum može svesti na jednostavan atomski raspored. Poanta je u analogiji. Fizičari mogu pripremiti sustav, pobuditi ga, pratiti njegov raspad i provjeriti odgovara li ponašanje teorijskim predviđanjima.

Raspad koji ovisi o snazi lasera

Središnji dio pokusa bio je promatrati kako se umjetno stvoreni lažni vakuum vraća u stabilnije stanje. Istraživači su pokazali da brzina tog raspada ovisi o snazi laserskog zračenja kojim su pobudili sustav.

To je važan rezultat jer raspad lažnog vakuuma nije samo jednostavan prijelaz iz jednog stanja u drugo. Teorija opisuje kako takav prijelaz počinje, kako se širi i kako novo stanje postupno zahvaća sustav. U kozmičkom scenariju govorilo bi se o mjehurićima pravog vakuuma koji se šire kroz prostor. U laboratoriju se ista vrsta dinamike može pratiti kroz promjene u kvantnom stanju atoma.

U tome je vrijednost ovakvog pokusa. Fizičari ne moraju čekati pojavu koja se možda nikada neće dogoditi u promatranom svemiru, niti bi je mogli izravno proučavati kada bi se dogodila. Umjesto toga mogu izgraditi sustav u kojem se pojavljuju srodni fizikalni obrasci, zatim mijenjati uvjete i mjeriti kako sustav reagira.

Zato je eksperiment zanimljiv i izvan dramatične priče o mogućem kraju svemira. Pokazuje koliko su kvantni simulatori postali korisni za proučavanje pojava koje su dugo bile gotovo isključivo predmet teorijskih izračuna. Ono što se prije moglo opisivati jednadžbama sada se može oponašati u sustavu koji se stvarno priprema, mijenja i mjeri

Nema dokaza da živimo u lažnom vakuumu

Najvažnije ograničenje treba jasno reći: ovaj eksperiment ne dokazuje da je naš svemir metastabilan. Ne pokazuje da se raspad lažnog vakuuma doista može dogoditi u kozmosu. Ne približava nas opasnosti i ne znači da je laboratorij proizveo nešto što bi moglo utjecati na svemir izvan eksperimentalnog sustava.

Riječ je o kontroliranoj simulaciji kvantnog procesa. Rydbergovi atomi poslužili su kao model koji fizičarima omogućuje da proučavaju dinamiku prijelaza iz višeg energetskog stanja u niže. To je znanstveno vrijedno upravo zato što je izravno proučavanje pravog kozmičkog vakuuma izvan našeg dosega.

Rad, objavljen u časopisu Physical Review Letters, otvara mogućnost složenijih eksperimenata s Rydbergovim atomima u sličnim geometrijama. U budućnosti bi takvi sustavi mogli pomoći u istraživanju drugih kvantnih pojava koje su važne za teorijsku fiziku, ali ih je teško ili nemoguće izravno promatrati u prirodi.

Scenarij raspada lažnog vakuuma ostaje jedna od najneobičnijih ideja moderne fizike. U svojoj kozmičkoj verziji zvuči gotovo zastrašujuće: svemir bi se mogao promijeniti bez upozorenja, a promjena bi se širila brzinom svjetlosti. No ovaj pokus ne govori da je to naša sudbina. Govori da fizičari sve bolje uče kako u laboratoriju stvarati male, precizne modele velikih pitanja.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.