Το Σύμπαν αλλάζει διαρκώς. Διαστέλλεται, αστέρια γεννιούνται και σβήνουν, γαλαξίες συγκρούονται. Κι όμως, πίσω από αυτές τις μεταβολές, οι βασικές ιδιότητες της ύλης παραμένουν αρκετά σταθερές ώστε να υπάρχουν πλανήτες, χημικά στοιχεία και ζωή. Τι διατηρεί αυτή τη σταθερότητα;
Μια νέα θεωρητική μελέτη, με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου του Πόρτσμουθ, εξετάζει έναν πιθανό μηχανισμό. Οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα κβαντικά πεδία μπορούν, υπό ορισμένες συνθήκες, να δυσκολεύουν τη μετάβασή τους σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις. Οι επιστήμονες ονόμασαν το φαινόμενο «cosmic lockdown», δηλαδή «κοσμικό κλείδωμα». Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Το σύμπαν και ένα τοπίο με δύο κοιλάδες
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, τα σωματίδια συνδέονται με διεγέρσεις πεδίων που διαπερνούν τον χώρο. Για να καταλάβουμε τις πιθανές ενεργειακές καταστάσεις ενός τέτοιου πεδίου, μπορούμε να φανταστούμε μια μπίλια σε ένα τοπίο με δύο κοιλάδες διαφορετικού βάθους.
Στον πυθμένα της βαθύτερης κοιλάδας βρίσκεται η χαμηλότερη δυνατή ενέργεια, το λεγόμενο «αληθές κενό». Η πιο ρηχή κοιλάδα αντιστοιχεί σε ένα «ψευδές κενό», μια κατάσταση που μπορεί να διατηρείται, παρότι υπάρχει χαμηλότερη ενεργειακή θέση. Εδώ, η λέξη «κενό» περιγράφει την κατάσταση του πεδίου, όχι έναν χώρο όπου δεν υπάρχει απολύτως τίποτα.
Στον κβαντικό κόσμο υπάρχει η δυνατότητα μετάβασης από τη μία κοιλάδα στην άλλη χωρίς το πεδίο να χρειαστεί να ξεπεράσει το ενδιάμεσο ενεργειακό εμπόδιο με τον συνηθισμένο τρόπο. Αυτό είναι το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας.
Κανένα πεδίο δεν είναι μόνο του
Οι ερευνητές μελέτησαν ένα απλοποιημένο μαθηματικό μοντέλο, στο οποίο ένα πεδίο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ταχύτατης διαστολής του πρώιμου Σύμπαντος. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές προκαλούν κβαντική αποσυνοχή, περιορίζουν δηλαδή ορισμένες από τις χαρακτηριστικές κβαντικές συμπεριφορές του συστήματος.
Στο συγκεκριμένο μοντέλο, η επίδραση του περιβάλλοντος είχε έναν σταθεροποιητικό ρόλο. Αφού το πεδίο κατέληγε σε μία από τις κοιλάδες, οι μεταβάσεις μέσω κβαντικής σήραγγας καταστέλλονταν έντονα. Το αποτέλεσμα συνδέεται με το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα, στο οποίο οι συχνές αλληλεπιδράσεις ή μετρήσεις μπορούν να αναστέλλουν την αλλαγή κατάστασης.
Πιο απλά, αυτό μπορεί να σημαίνει ότι το ίδιο το περιβάλλον του πρώιμου Σύμπαντος βοήθησε ορισμένα κβαντικά πεδία να παραμείνουν σταθερά, αντί να μεταπηδήσουν σε άλλη ενεργειακή κατάσταση. Αν η ιδέα επιβεβαιωθεί από πιο σύνθετα μοντέλα, θα μπορούσε να εξηγεί γιατί το Σύμπαν διατήρησε τις βασικές του ιδιότητες για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα και γιατί η ύλη μπόρεσε να οργανωθεί σε άστρα, γαλαξίες και τελικά σε πλανήτες όπως η Γη.
Τι καθορίζει πού θα καταλήξει;
Σημασία είχε επίσης η μάζα του πεδίου σε σχέση με την κλίμακα της κοσμικής διαστολής. Τα σχετικά βαρύτερα πεδία προσαρμόζονταν ευκολότερα στις αλλαγές και κατέληγαν με μεγάλη πιθανότητα στη βαθύτερη κοιλάδα. Για τα ελαφρύτερα, παρέμενε σημαντική η πιθανότητα να βρεθούν στο ψευδές κενό και στη συνέχεια να «κλειδωθούν» εκεί.
Το ενδιαφέρον αφορά, μεταξύ άλλων, το πεδίο Higgs, που συνδέεται με τη μάζα στοιχειωδών σωματιδίων και ενδέχεται να βρίσκεται σε ψευδές κενό. Η μελέτη, ωστόσο, δεν απέδειξε ότι ο ίδιος μηχανισμός το προστατεύει. Για αυτό χρειάζονται πιο ρεαλιστικά μοντέλα. Το «κοσμικό κλείδωμα», επομένως, προσφέρει μια πιθανή εξήγηση προς διερεύνηση που ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικές μελέτες.
