Физики обнаружили механизм, который может защищать Вселенную от распада вакуума

Международная группа физиков предложила новое объяснение того, почему квантовые поля могут сохранять устойчивость даже в энергетически невыгодных состояниях. Компьютерное моделирование показало, что взаимодействие поля с окружающей средой способно подавлять квантовые переходы, которые теоретически могли бы привести к радикальному изменению физических свойств Вселенной. Исследователи назвали этот механизм «космической блокировкой» и предположили, что он может играть важную роль в стабильности квантового вакуума.

Работу выполнили специалисты Портсмутского университета в Великобритании совместно с коллегами из Сиракузского университета в США и Высшей нормальной школы в Париже. Исследование возглавил физик Робсон Кристи, а его результаты опубликованы 25 сентября 2026 года в научном журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Учёные использовали математическую модель расширяющейся Вселенной, чтобы выяснить, как взаимодействие квантовых полей влияет на их способность переходить между разными энергетическими состояниями.

В современной физике вакуум не считается полностью пустым пространством. Согласно квантовой теории поля, всю Вселенную пронизывают фундаментальные поля, возбуждения которых проявляются в виде элементарных частиц. Даже в состоянии с минимально возможным количеством частиц такие поля обладают определёнными физическими свойствами и могут иметь различные уровни энергии.

Особое значение имеет состояние, в котором энергия поля достигает минимума. Если этот минимум является самым низким из всех возможных, его называют истинным вакуумом. Однако существуют теоретические ситуации, когда поле находится в другом, более высоком энергетическом минимуме, хотя ещё более низкое состояние остаётся доступным. Такое положение называют ложным вакуумом.

Для наглядности физики сравнивают энергетические состояния с горным ландшафтом, состоящим из долин разной глубины. Самая глубокая долина соответствует истинному вакууму, а более мелкие впадины — ложным. Если шарик оказался на дне одной из неглубоких долин, он может оставаться там очень долго, поскольку для перехода в соседнюю долину ему необходимо преодолеть разделяющий их подъём.

В квантовой физике ситуация сложнее. Даже если системе недостаточно энергии для преодоления барьера обычным способом, существует вероятность перехода сквозь него. Это явление называется квантовым туннелированием и хорошо известно по экспериментам с элементарными частицами.

Подобный механизм теоретически может действовать и в отношении квантовых полей. Если поле находится в ложном вакууме, туннелирование способно вызвать переход в более устойчивое состояние с меньшей энергией. В зависимости от свойств поля такой переход мог бы существенно изменить физические условия в соответствующей области пространства.

Особый интерес представляет поле Хиггса, которое участвует в формировании масс элементарных частиц. Некоторые расчёты в рамках Стандартной модели физики частиц допускают, что его современное состояние может быть не абсолютно устойчивым, а метастабильным. Это означает, что поле потенциально способно перейти в другой энергетический минимум.

В случае такого перехода изменились бы значения фундаментальных физических параметров, определяющих свойства частиц и взаимодействий. Однако существующие теоретические оценки показывают, что вероятность подобного события чрезвычайно мала, а предполагаемое время существования нынешнего вакуума значительно превышает возраст Вселенной.

Авторы нового исследования решили рассмотреть фактор, который часто упрощается в расчётах, — взаимодействие квантовых полей с окружающей средой. В реальной Вселенной отдельное поле не существует в полной изоляции. Оно может взаимодействовать с другими полями, и эти взаимодействия способны изменять его квантовое состояние.

Для проверки идеи исследователи построили модель одного скалярного поля с двумя энергетическими минимумами. Оно находилось в расширяющемся пространстве и взаимодействовало с множеством других полей, образующих его окружение. Затем учёные рассчитали, как меняется состояние системы при разных соотношениях между собственными характеристиками поля и скоростью расширения пространства.

Оказалось, что первоначальный выбор энергетического состояния в большей степени зависит от динамики самого поля, чем от окружающей среды. Если характерная масса поля достаточно велика по сравнению с масштабом космического расширения, оно успевает приспосабливаться к изменяющимся условиям и с высокой вероятностью оказывается в истинном вакууме.

Иная картина возникает, когда поле относительно лёгкое, а расширение пространства происходит слишком быстро. В таких условиях система не всегда успевает перейти в наиболее энергетически выгодное состояние. Поэтому сохраняется заметная вероятность того, что поле окажется в ложном вакууме.

Но главным результатом исследования стало поведение системы после того, как поле уже заняло одно из возможных состояний. Взаимодействие с окружающими полями вызывало квантовую декогеренцию — процесс, при котором нарушаются квантовые связи, позволяющие системе одновременно сохранять несколько возможных состояний.

В результате переходы между двумя энергетическими минимумами становились значительно менее вероятными. Поле словно оказывалось закреплённым в выбранном состоянии, даже если оно не соответствовало самому низкому уровню энергии. Именно этот эффект исследователи назвали «космической блокировкой».

По мнению авторов, обнаруженный механизм связан с квантовым эффектом Зенона. Он заключается в том, что частые взаимодействия с квантовой системой при определённых условиях могут замедлять или подавлять изменение её состояния. В данном случае роль постоянного воздействия выполняет взаимодействие рассматриваемого поля с другими квантовыми полями.

Для возникновения такого эффекта не требуется наблюдатель или специальный измерительный прибор. Достаточно того, что окружающая среда непрерывно взаимодействует с системой и тем самым разрушает квантовую когерентность. В модели это приводит к сильному подавлению туннелирования между состояниями вакуума.

При этом исследователи подчёркивают, что окружение практически не определяет, в каком именно энергетическом минимуме окажется поле первоначально. Его основная роль проявляется позже, когда состояние уже сформировалось. Декогеренция затрудняет последующий переход как из ложного вакуума в истинный, так и между другими состояниями, предусмотренными моделью.

Полученные результаты могут иметь значение для понимания процессов, происходивших в ранней Вселенной, особенно в период её чрезвычайно быстрого расширения. Они показывают, что взаимодействие квантовых полей способно влиять не только на их поведение в отдельный момент, но и на продолжительность существования определённых физических состояний.

Однако новое исследование пока не доказывает, что именно «космическая блокировка» обеспечивает устойчивость современной Вселенной. Учёные использовали упрощённую математическую модель, а не полноценное описание поля Хиггса и всех известных фундаментальных взаимодействий. Поэтому для оценки применимости механизма к реальному вакууму необходимы более сложные расчёты.

Авторы рассматривают свою работу как шаг к более полному пониманию связи между квантовой физикой и космологией. Если подобный эффект сохранится в реалистичных моделях, он сможет объяснить, почему некоторые квантовые поля остаются в метастабильных состояниях на протяжении чрезвычайно длительного времени. Это поможет уточнить представления о стабильности вакуума и физических условиях, при которых развивалась наша Вселенная.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.