Сегодня я пишу о смерти. Депрессивно, я знаю, но не о вашей или моей смерти. Скорее, я хочу поговорить о смерти Вселенной.

Недавно группа ученых попыталась смоделировать, как может выглядеть конец Вселенной, используя квантовый компьютер на 5564 кубитах, и оказалось, что он совсем не похож на основные предсказания. Квантовая механика, как выяснилось, может привести к гораздо более насильственной гибели Вселенной, чем традиционные представления о том, что она просто «замедлит ход» согласно законам термодинамики.

Угасание Вселенной

Термодинамический сценарий действительно довольно удручающий.

Однажды молодая женщина позвонила Айзеку Азимову, великому писателю-фантасту. Как она достала его номер, неизвестно, но в трубке слышались слезы. В своей автобиографии он рассказывает, как спросил ее, в чем дело. Девушка ответила, что плачет из-за одной из его книг.

Азимов удивился: какие такие эмоции могла вызвать его работа? Хотя у него было несколько трогательных рассказов, в основном его книги были довольно сухими с эмоциональной точки зрения. Она объяснила, что речь идет о научно-популярной книге, в которой он писал о Вселенной и ее неизбежной тепловой смерти. Азимов описывал, как со временем Вселенная остынет и станет безжизненной, поскольку достигнет максимальной энтропии. Все звезды потухнут, и останется лишь бесконечный холод. Возможно, тот факт, что это произойдет через триллионы и триллионы лет, не особо утешал девушку.

С другой стороны, для многих людей мысль о том, что Вселенная продолжит существовать после их смерти, является утешением. По крайней мере, после их ухода останется жизнь для других.

Но согласно лучшим на сегодняшний день представлениям о термодинамике Вселенной, это не так. Энтропия неумолимо замедляет течение Вселенной, подобно заводным часам, и не существует известного механизма, который мог бы обратить этот процесс вспять.

Азимова, похоже, сама идея тепловой смерти не оставляла равнодушным. Возможно, она не доводила его до слез, но как минимум философски беспокоила. В 1956 году он написал рассказ «Последний вопрос». Это был его любимый рассказ из тысяч, что он написал. В нем человечество на протяжении эпох сливается с искусственным интеллектом, пока Вселенная не остывает окончательно. Когда все солнца уже угасли, эта единая сущность, представляющая собой симбиоз человеческого сознания и вычислительной техники, становится богоподобным существом. В конце истории оно произносит: «Да будет свет», и свет снова загорается, словно в первых строках Библии (Бытие).

Как атеист, Азимов не верил в божественное обновление ни Вселенной, ни человеческой расы.

Однако квантовая механика может предоставить такие механизмы, которые классическая физика не способна предложить, чтобы не только разрушить Вселенную в катастрофическом сценарии, но и запустить ее заново.

Другими словами, обещания Библии о том, что небо и Земля будут уничтожены и воссозданы заново, могут оказаться вполне естественными процессами.

Одно из ключевых различий между квантовой и классической физикой заключается в том, что классическая физика просто предполагает, что материя существует сама по себе. Частицы, планеты, звезды — все это просто есть.

Квантовая физика, однако, показывает, что материя не является фундаментальной. Атомы, электроны, протоны, нейтроны и даже свет — это всего лишь колебания полей, заполняющих пустоту.

Поле можно представить как пружинный матрас, но в четырех измерениях.

Представьте, что этот матрас заполняет все пространство и время. Вы его не видите, но можете измерить его влияние.

Когда матрас не трогают, он остается спокойным, может быть, слегка вибрирует из-за движения воздуха (что похоже на квантовые флуктуации), но в целом ничего не происходит.

Но вот кто-то, кто говорит «Да будет свет», заставляет этот матрас дрожать. Это колебание вызывает локальное скопление энергии, и эта концентрированная энергия порождает частицы.

Ложный вакуум

Это дрожание называют ложным вакуумом, потому что, пока не начнут формироваться частицы, оно представляет собой пустое пространство, которое, тем не менее, обладает энергией. В отличие от истинного вакуума, у которого нет энергии для создания материи.

На квантовом уровне матрас никогда не останавливается полностью. Это значит, что Вселенная может существовать очень долго.

Квантовое туннелирование

Представьте себе горное озеро. Из него вытекает река, которая стекает вниз.

Теория тепловой смерти говорит о том, что озеро постепенно иссякнет, и река перестанет течь.

Но квантовая механика предполагает, что на дне озера могут образовываться трещины, через которые вода утекает быстрее.

Эти трещины — аналог квантового туннелирования.

Квантовое туннелирование — это способность квантовых частиц проходить сквозь барьеры.

В классической физике, если поместить частицу в закрытый контейнер, она останется там навсегда.

Но квантовая механика говорит, что есть ненулевая вероятность, что частица исчезнет с одной стороны барьера и появится с другой.

Для макрообъектов (например, людей) вероятность ничтожно мала, но не равна нулю.

А значит, если у Вселенной есть барьер, через достаточно большое количество времени, квантовое туннелирование все равно разрушит его.

И Вселенная может исчезнуть мгновенно, не медленно угасая, а катастрофически рушась в истинный вакуум.

Трещины, через которые утекает вода, являются аналогией для явления, известного как квантовое туннелирование.

Если говорить просто, квантовое туннелирование — это способность квантовых частиц проникать сквозь барьеры. Эти барьеры могут быть физическими, например, стенами, или энергетическими.

В классической физике, если я помещу кусочек материи в герметичный контейнер и поставлю его на стол, он останется там навсегда. Однако квантовая физика говорит, что существует ненулевая вероятность, что этот кусочек исчезнет с одной стороны барьера и появится с другой.

Это означает, что теоретически существует ненулевая вероятность, что однажды я обнаружу свой кусочек материи на полу.

Хотя эта вероятность исключительно мала для крупных объектов, она не равна нулю и, если дать достаточно времени, событие может произойти.

Все системы, будь то квантовые или классические, стремятся достичь основного состояния. Основное состояние — это наименьшая возможная энергия, которую может иметь система.

Основное состояние стабильно, потому что ничто не хочет самопроизвольно переходить в другое состояние.

Пример: основное состояние воды на Земле — это океан. Именно поэтому вода всегда стремится туда. Если бы энергия Солнца не испарялась, вода оставалась бы в океане навсегда. Но Солнце придает воде достаточно энергии, чтобы она превращалась в облака, которые затем возвращают воду в более высокие состояния (реки, озера, ледники и т. д.).

Это означает, что если добавить энергию в систему, можно временно поднять ее над основным состоянием.

Когда идет дождь, вода сразу начинает стекать обратно в океан через реки и ручьи.

Но если вода падает в виде снега высоко в горах, она останется там до весеннего таяния. Снег в горах — это метастабильное состояние воды. Это состояние с более высокой энергией, чем основное, но не изменяющееся — по крайней мере, пока. Если бы температура в горах оставалась ниже нуля круглый год, снег бы никогда не таял. Так и образуются ледники. Но с приходом весны вода получает достаточно энергии, чтобы покинуть метастабильное состояние и вернуться к своему основному состоянию — океану.

Метастабильные состояния также могут разрушаться спонтанно из-за случайных флуктуаций. Это похоже на лавину, внезапно сбрасывающую снег на более теплую высоту.

В космическом масштабе, истинный вакуум — это основное состояние Вселенной. В этом состоянии нет материи, а все поля находятся в покое.

Ложный вакуум, в котором, как мы считаем, сейчас находится Вселенная, — это метастабильное состояние.

Насколько нам известно, весеннее таяние (естественный переход к истинному вакууму) не ожидается.

Но квантовая механика гарантирует, что лавина все равно случится.

Нужен всего лишь один громкий звук.

Исследование, о котором идет речь, касалось моделирования в квантовом компьютере того, что происходит, когда квантовые системы переходят из ложного вакуума в истинный.

Это достигается с помощью процесса, называемого квантовым отжигом (quantum annealing).

Отжиг используется при производстве стекла и стали, чтобы сделать их прочными и устойчивыми. Этот процесс включает многократное нагревание и охлаждение материала.

Отжиг заставляет все атомы опуститься в свое основное состояние, давая им маленькие «пинки» (нагрев) и затем резко останавливая (охлаждение).

Это похоже на просеивание муки через сито. В муке могут образовываться комки, но при встряхивании сита мелкие частицы просеиваются вниз.

Квантовый отжиг работает похожим образом, но вместо нагревания и охлаждения используется квантовое туннелирование.

Это как если бы сито было сплошным листом металла, но квантовая мука все равно просеивалась через него.

Исследователи использовали квантовый компьютер, настроенный в виде модели Изинга (Ising model).

Модель Изинга — это классическая физическая модель, описывающая поведение магнитов.

Принцип работы такой:

В данном эксперименте все кубиты (квантовые биты) находились либо в состоянии 1 (все вверх), либо в состоянии 0 (все вниз).

Мы живем в состоянии всех 1.

Со временем из-за квантового туннелирования кубиты начинают переключаться из 1 в 0, образуя пузыри истинного вакуума.

Квантовая симуляция показывает, что в метастабильной Вселенной, подобной нашей, могут существовать крошечные пузырьки истинного вакуума, блуждающие повсюду.

Когда определенный порог превышен, процесс необратим — истинный вакуум распространяется, уничтожая ложный вакуум.

Другими словами, Вселенная разрушается в одно мгновение.

Какова вероятность, что наша Вселенная действительно исчезнет подобным образом? Стоит ли готовиться к неминуемому исчезновению?

Мы не знаем. Без теории квантовой гравитации у нас нет полного понимания.

Но этот сценарий настолько же вероятен, как и тепловая смерть.

Когда это может случиться?

В своей оригинальной статье 1982 года Майкл Тернер и Фрэнк Вильчек (будущий лауреат Нобелевской премии) предположили, что это может произойти через 1 нониллион лет (1 с 30 нулями).

Это настолько долго, что если нарисовать временную шкалу от Далласа до Сиднея, то для нониллиона лет эта шкала протянется через всю наблюдаемую Вселенную.

Но это может случиться и завтра.

Что произойдет после этого? Никто не знает.

Но если ложный вакуум однажды появился, он может появиться снова.

Даже в глубочайшем хаосе и тьме, свет всегда может вернуться.

Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos