S kvantno simulacijo raziskovali konec vesolja

Dr. Jaka Vodeb z Instituta Jožef Stefan je s kolegi iz Velike Britanije in Nemčije s kvantno simulacijo raziskoval razpad lažnega vakuuma. »Če so pionirske raziskave pred 50 leti predlagale, da je vesolje morda ujeto v lažnem vakuumu, so raziskave s kvantno simulacijo podale nov uvid v mehanizem prehoda v bolj stabilno stanje pravega vakuuma. S temi ugotovitvami bi vesolje popolnoma spremenilo svojo strukturo, svet, kot ga poznamo, pa bi se sesul kot hišica iz kart,« so pojasnili in dodali, da se nimamo česa bati, saj bi se to zgodilo šele čez »milijarde in milijarde let«. 

»Ta odkritja ne le premikajo meje znanstvenega znanja, temveč tudi utirajo pot prihodnjim tehnologijam, ki bi lahko korenito spremenile področja, kot so kriptografija, znanost o materialih in energetsko učinkovito računalništvo,« je v sporočilu za javnost poudaril dr. Jaka Vodeb. 

Lažni vakuum je hipoteza znotraj kvantne teorije. Gre za hipotetično vakuumsko stanje, ki je lokalno lahko stabilno, vendar ne zavzema najbolj stabilnega možnega osnovnega stanja; na primer: vesolje bi bilo lahko na podlagi te teorije le v stanju navidezne, a ne dokončne stabilnosti. Povedano drugače: vesolje v resnici le čaka na prehod v stabilnejše vakuumsko stanje, ki bi ga popolnoma preoblikovalo. 

V tem metastabilnem stanju lažnega vakuuma sicer lahko vztraja zelo dolgo, vendar lahko sčasoma razpade v bolj stabilno stanje, kar je znano kot razpad lažnega vakuuma. Najpogostejša napoved, kako bi se razpad lahko zgodil v našem vesolju, je »nukleacija mehurčka«: če bi majhno območje vesolja po naključju doseglo stabilnejši vakuum, bi se ta mehurček razširil na celotno vesolje. 

Za razumevanje lažnega vakuuma obstaja tudi analogija s plastenko vode: najprej napolnite plastenko z destilirano vodo in jo za nekaj ur postavite v zamrzovalnik. Voda v plastenki, v kateri ni prahu ali kemikalij, ki bi sprožile kristalizacijo v led, lahko ostane tekoča pod običajno točko zmrzovanja. To je metastabilno stanje. Ko plastenko vzamete iz zamrzovalnika in jo potresete, bo čezmerno ohlajena voda takoj zmrznila v led in tako prešla v stabilno stanje, so opisali. V splošnem je pojav metastabilnosti precej pogost, pomemben npr. za obstojnost kemijskih učinkovin v farmaciji.

Fiziki so se dolgo spraševali, ali se lahko zgodi proces razpada lažnega vakuuma, in če se lahko, koliko časa bi to trajalo. Šele nove tehnologije so jim omogočile nova spoznanja. 

Kvantni računalnik oz. t. i. kvantni žarilnik je znanstvenikom iz Slovenije, Velike Britanije in Nemčije omogočil opazovanje zapletenega »plesa« mehurčkov, ki vključuje njihovo nastajanje, rast in interakcijo v realnem času. To naj bi bil eden prvih primerov, ko so znanstveniki lahko neposredno simulirali in opazovali dinamiko lažnega vakuumskega razpada v tako velikem merilu.

V raziskavi, ki so jo opravili raziskovalci iz Univerze v Leedsu, raziskovalnega inštituta Jülich iz Nemčije, kjer kot podoktorski raziskovalec deluje dr. Vodeb, in Avstrijski inštitut za znanost in tehnologijo (ISTA), so poskušali razumeti ključno uganko lažnega vakuumskega razpada in mehanizem, ki je v ozadju. Eksperiment je vključeval postavitev 5564 kubitov – osnovnih gradnikov kvantnega računalništva – v posebne konfiguracije, ki predstavljajo lažni vakuum.

S skrbnim nadzorom sistema so raziskovalci lahko sprožili prehod iz lažnega vakuuma v pravi, kar odraža nastanek mehurčkov, kot ga opisuje teorija razpada lažnega vakuuma. Čeprav bi ta proces lahko sprožil pomembno spremembo v strukturi vesolja, se strokovnjaki strinjajo, da je napovedovanje časovnega poteka težavno, vendar se bo verjetno zgodil v astronomsko dolgem obdobju, ki lahko traja več milijonov in celo milijard let.

Raziskava je bila objavljena v reviji Nature Physics.