Физици моделираха колапса на фалшивия вакуум: колапсът на Вселената, пресъздаден в пръстен от 16 атома

В съвременната квантова теория на полето концепцията за абсолютно празно пространство не се прилага. Това, което обикновено се нарича вакуум, физиците разглеждат като основно състояние на квантовото поле, притежаващо най-ниската възможна енергия. Една квантова система обаче може да има няколко локални минимума на енергия. Ако системата се намира в локален минимум, който не е най-ниската възможна енергия, такова състояние се класифицира като „фалшив вакуум“.

Физиката позволява преход на системата от фалшивия вакуум към глобалния минимум – „истинския вакуум“. В класическата механика подобен преход би изисквал внасяне на енергия отвън. В квантовата механика системата е в състояние да преодолее енергийната бариера самостоятелно благодарение на ефекта на квантовото тунелиране. Този процес не протича мигновено в целия обем. Преходът започва с локални флуктуации: в пространството се образуват микроскопични области на истински вакуум. Този механизъм се нарича нуклеация на мехурчетата.

Невъзможно е да се наблюдава разпадането на метастабилния вакуум в астрофизични или космологични мащаби. За да изследват експериментално тази динамика, съвместна група изследователи от Университета Цинхуа, Оксфордския университет и няколко други научни институции създадоха контролиран физически модел на този процес на лабораторен стенд. За целта те използваха програмируем квантов симулатор, базиран на неутрални атоми.

Архитектурата на оптичния симулатор

Експерименталната инсталация се базира на пръстен от шестнадесет (а в някои етапи на експеримента – двадесет и четири) атома на изотопа рубидий-87. Атомите са поставени в изолирана камера и са фиксирани в пространството с помощта на оптични пинсети. Оптичната пинсета представлява плътно фокусиран лазерен лъч, чието електромагнитно поле задържа неутралната микрочастица в дадена точка. Разстоянието между съседните атоми в пръстена е няколко микрометра.

В този експеримент всеки атом действа като квантова система от две нива, или кубита. Атомът може да се намира в едно от двете възможни състояния. Първото е основното състояние с минимална енергия. Второто е високоенергийното състояние на Ридберг. В състоянието на Ридберг един от електроните в атома се прехвърля в орбита, която е изключително далеч от ядрото. Поради това размерът на атома се увеличава многократно и той започва активно да взаимодейства със съседните частици.

Когато един от атомите в пръстена навлезе в състояние на Ридберг, между него и съседните атоми възникват мощните сили на Ван дер Ваалс. Това взаимодействие е антиферомагнитно: то прави енергетично неблагоприятно два съседни атома да се намират едновременно във възбудено състояние. В резултат на това системата естествено се стреми да приеме конфигурация, при която основното и възбуденото състояние на атомите се редуват стриктно в целия пръстен.

Нарушаване на симетрията и създаване на вакуумни състояния

В идеалната пръстенова структура има точно две възможни конфигурации със строго редуване на атомните състояния. По подразбиране те имат абсолютно еднаква енергия. За да започнат процеса на разпад, изследователите е трябвало изкуствено да нарушат тази енергийна симетрия.

За тази цел физиците използват допълнителна система от лазери. Лъчите са насочени не към целия пръстен, а единствено към всеки втори атом във веригата (само в четни или само в нечетни позиции). Излъчването от тези лазери създава локален ефект на Старк, който измества енергийните нива на облъчените атоми.

В резултат на това енергийният баланс на системата се променя. Едната от двете редуващи се конфигурации получава леко енергийно предимство – общата ѝ енергия става по-ниска. Тази конфигурация е определена като истински вакуум. Втората конфигурация, чиято енергия е по-висока, е станала физическо въплъщение на фалшивия вакуум. Създава се потенциалната разлика, необходима за иницииране на квантовото тунелиране.

Проблемът с рязката инициализация

Първоначалната задача на експеримента беше да се измери скоростта на разпадане на създадения фалшив вакуум. На първия етап изследователите използват метода на мигновената инициализация. Те въвеждат атомния пръстен в конфигурацията на фалшивия вакуум и рязко включват параметрите на глобалните лазери, отговарящи за динамиката на преходите.

Данните, получени при този подход, се оказаха трудни за интерпретиране. Графиката на колапса на фалшивия вакуум не показва плавен спад. Вместо това сигналът беше наситен с високочестотни осцилации – квантови осцилации. Механиката на това явление се обяснява просто: при мигновена промяна на параметрите системата получава своеобразен кинетичен шок. Появява се огромна квантова суперпозиция от много различни състояния, която напълно прикрива основния процес на експоненциален разпад. На физиците стана ясно, че простият метод на инициализация не позволява да се наблюдава чистата динамика на вакуума.

Адиабатният метод на подготовка

За да елиминират квантовия шум, изследователите модифицират протокола за подготовка. Те изоставят рязкото превключване на лазерите в полза на адиабатен процес. Адиабатната подготовка включва изключително бавни и плавни промени във физическите параметри на системата.

В новия протокол атомите първо се настройват в първоначалното си променливо състояние без допълнителни смени. След това физиците плавно увеличават мощността на лазерите, генериращи магнитно поле. Благодарение на бавната промяна системата е имала време непрекъснато да се пренарежда, оставайки в т.нар. метастабилно състояние, без да натрупва излишна енергия или да генерира паразитни трептения.

Резултатът от промяната на протокола се оказа радикален. Метастабилното състояние започва да се разпада по предсказуем и стабилен начин. Измерената графика на прехода от фалшив вакуум към истински вакуум показа ясна експоненциална зависимост. Получената скорост на тунелиране съвпадна с фундаменталните математически изчисления на квантовата теория на полето, предсказани за едномерни физически вериги, при това с много висока точност. Това доказа, че точността на квантовото тунелиране пряко зависи от стабилността на началното състояние на системата.

Резонансно зараждане в дискретна среда

По време на експеримента беше разкрита важна разлика между вакуумното разпадане в атомния пръстен и хипотетичното разпадане в космическото пространство. Непрекъснатото поле позволява на възникналото мехурче на истинския вакуум да се разширява свободно във всички посоки. Пръстенът от рубидиеви атоми има дискретна структура – той се състои от отделни, ясно локализирани елементи.

Тази дискретност налага строги ограничения върху разрастването на областите на истинския вакуум. Съгласно закона за запазване на енергията в унитарната еволюция мехурчето на истинския вакуум вътре в атомната верига не може да се разширява безкрайно. Всяка промяна в състоянието на атома изисква енергийни разходи за образуване на нови граници между истинския и лъжливия вакуум. Разрастването на мехура е възможно само когато енергията, освободена при преминаването на допълнителни атоми в новото състояние, е строго равна на енергията, необходима за поддържане на границите.

Поради дискретния спектър на енергиите това равенство не винаги настъпва, а се осъществява само при строго определени конфигурации на магнитните полета. Изследователите наричат този процес резонансно зараждане. Целенасочено променяйки мощността на лазерите, физиците са регистрирали образуването на мехурчета със строго определена дължина. Системата масово генерирала последователности от истински вакуум с дължина точно един, два или три атома. Преходите с междинни формати са били почти напълно блокирани от законите за съхранение.

Перспективи на технологията

Извършената работа демонстрира високия потенциал на масивите от неутрални атоми на Ридберг за фундаментални физически изследвания. Учените успяха не само да докажат възможността за моделиране на вакуумни преходи, но и да разработят надежден метод за изчистване на квантовия сигнал от фоновите осцилации с помощта на адиабатно управление.

Успешното моделиране на фалшив вакуум в едноизмерна верига открива възможност за изготвяне на по-сложни експерименти. В бъдеще подобни методи ще позволят да се изучава динамиката на квантовото тунелиране в сложни двумерни решетки, да се моделират многочастични квантови системи с взаимодействия на големи разстояния и да се изследват физични процеси, чието изчисление не е по силите дори на най-мощните съвременни суперкомпютри. Постепенният контрол върху поведението на единичните атоми пренася изучаването на неравновесните квантови процеси от областта на теоретичната математика в плоскостта на прякото експериментално наблюдение.