Пять возрастов Вселенной
Шрифт:
Фундаментальную концепцию энергетического барьера можно продемонстрировать с помощью классической аналогии. Рассмотрим шарик, который катается во впадине между двумя возвышенностями, как показано на рис. 23. В отсутствие трения шарик катается взад-вперед по впадине, но никогда не переходит на другую сторону, потому что не имеет достаточно энергии, чтобы подняться по возвышенности, разделяющей две впадины. Таким образом, возвышенность служит энергетическим барьером, который препятствует переходу шарика из одной впадины в другую. Шарик заключен в левой впадине, даже несмотря на то, что правая глубже и соответствует состоянию системы, имеющему более низкую энергию.
Рис 23.
В классическом примере шарика с постоянной энергией и двух впадин переходы невозможны. Ни в коем случае. Шарику суждено оставаться в своей впадине вечно, если только он не подвергнется воздействию какого-то внешнего механизма. Однако в случае квантово-механической системы дела обстоят совершенно иначе. Из-за волнового аспекта, который реальность приобретает на малых расстояниях, природа никогда не бывает совершенно неподвижной. Физические системы непрерывно испытывают флуктуации, обусловленные принципом неопределенности, с которым мы уже встречались. И эти квантовые флуктуации разрешают, на первый взгляд, запрещенные события.
Если шарик на верхнем рисунке заменить, например, электроном, а возвышенности — какими-нибудь электрическими барьерами, то мы получаем совершенно аналогичную систему, хотя и в гораздо меньшем масштабе, в котором свою роль должны сыграть и квантово-механические эффекты. Из-за квантовых флуктуации всегда существует некоторая вероятность того, что электрон окажется в правой впадине, даже если он должен быть в левой. Вероятность того, что электрон окажется «не на той» стороне потенциального барьера, обычно достаточно мала, но не равна нулю. На практике эта неопределенность означает, что при наличии достаточного времени электрон совершит переход из левой впадины в состояние с более низкой энергией, которое предоставляет правая впадина. Завершив переход, электрон обычно отдает энергию и остается во впадине с более низкой энергией.
Когда электрон совершает этот переход из одной впадины в другую, он фактически проходит под энергетическим барьером, пройти над которым он не может, поскольку не обладает достаточной энергией. В этом смысле электрон туннелируетчерез барьер, и этот процесс называется квантово-механическим туннелированием. Это, на первый взгляд, загадочное поведение является прямым следствием проявления волновых свойств электрона. И хотя это квантовое поведение электронов может показаться странным, такое туннелирование электрона служит фундаментальной основой для создания транзисторов и прочих полупроводниковых приборов. В отсутствие квантово-механического туннелирования электронов обанкротились бы все предприятия, производящие полупроводниковые приборы.
К туннелированию способны любые волны: как классические, так и квантовые. Туннелированию могут подвергаться, например, спиральные волны плотности — волноподобные возмущения, образующие великолепные спиральные узоры, наблюдаемые
Как и электрон в нашем примере, вселенский вакуум может находиться в состоянии высокой энергии, при этом может существовать и состояние более низкой энергии вакуума. Как только Вселенная оказывается заключенной в состояние большой энергии вакуума, она должна оставаться в этом состоянии на протяжении продолжительного периода времени, потому что энергетический барьер препятствует ее немедленному переходу в состояние более низкой энергии. Такая долгоживущая конфигурация называется метастабильным состоянием, потому что на протяжении коротких периодов времени она фактически стабильна, но в конечном счете все же нестабильна и рано или поздно распадется. Переходы в состояние с более низкой энергией не только возможны, но и должны произойти при условии наличия достаточного времени.
Как, когда и где произойдет подобный фазовый переход? Нам хотелось бы знать, какова вероятность того, что Вселенная испытает переход из состояния фальшивого вакуума в состояние истинного вакуума, из состояния высокой энергии вакуума в конфигурацию с более низкой энергией. В качестве частной теоретической модели состояния вакуума мы можем вычислить скорость этого перехода достаточно простым способом. Однако полученный результат крайне чувствителен к входным параметрам, которые мы знаем не слишком хорошо. Чтобы сделать это предсказание точным, нам необходима полная теория состояния вакуума Вселенной. И хотя такое теоретическое понимание должно в конечном итоге стать следствием решения проблемы космологической постоянной, в настоящее время его у нас нет. Пока что мы можем лишь наложить ограничения на возможные варианты этого пугающего, но захватывающего будущего события.
Ясно, что время, предшествующее туннелированию, должно быть настолько долгим, чтобы Вселенная не распалась к настоящей эпохе. Мы можем быть в достаточной степени уверены, что в текущую эпоху образования ядер в видимой части Вселенной не происходило. Время, которое потребуется для этого фазового перехода, вполне может превышать возраст нашей Вселенной, равный десяти миллиардам лет. Однако в будущем Вселенная может пережить фазовый переход и протуннелировать в состояние вакуума с более низкой энергией почти в любое время: может, завтра, а может, и через десять тысяч космологических декад.
Что же в действительности случается, когда и если происходит это самое туннелирование? В данной точке пространства микроскопическая область самопроизвольно переходит в новое состояние вакуума с более низкой энергией. Когда начинается фазовый переход, в фоновом море фальшивого вакуума образуются и начинают разрастаться микроскопические пузырьки состояния истинного вакуума. Этот процесс во многом напоминает рост кристаллов льда в воде, охлажденной ниже точки замерзания. Кристаллы льда начинают расти в какой-то определенной, но обычно произвольной точке и только потом увеличиваются. Ледяная область расширяется по мере того, как наступающий фронт по ходу своего движения превращает жидкую воду в твердый лед. Пузырек нового состояния вакуума разрастается аналогичным образом и переводит фоновую Вселенную из старого состояния вакуума в новую фазу с новым состоянием вакуума.