Universet vårt virker stabilt, men det kan i teorien befinne seg i en midlertidig tilstand som en dag kan kollapse uten forvarsel.
I fysikken omtales et vakuum ofte som universets laveste energitilstand. Likevel kan det finnes en enda lavere og mer stabil tilstand. Dersom en liten «lomme» av rom plutselig skulle gå over i denne tilstanden, kan konsekvensene bli ekstreme: Overgangen kan spre seg som en boble og vokse utover i nær lyshastighet, mens den endrer fysikkens «spilleregler» der den passerer.
Dette scenariet kalles falskt vakuum-forfall og regnes som et av de mer urovekkende konseptene i kvantefysikken. Nå har en forskergruppe ledet av fysikere ved Tsinghua University i Kina funnet en måte å simulere prosessen i laboratoriet på.
Det betyr ikke at forskerne forsøker å «skru på» en faktisk universødeleggelse. Målet er å forstå et fenomen som befinner seg i skjæringspunktet mellom to av fysikkens viktigste teorier: relativitetsteorien og kvantefysikken. Nettopp der oppstår noen av de største uløste problemene i moderne naturvitenskap.
To teorier som ikke helt møtes
Relativitetsteorien er svært presis når den beskriver naturen på store skalaer og ved høye hastigheter. Men når vi går ned på atomære og subatomære nivåer, er det kvantefysikk som gjelder. I dette mikroskopiske domenet er relativitetsteorien ikke tilstrekkelig for å forklare hvordan naturen oppfører seg.
Den mest brukte beskrivelsen av slike prosesser er kvantefeltteori, som forklarer hvordan kvantefelt og partikler påvirker hverandre. Problemet er at relativitetsteorien og kvantefeltteori fungerer svært godt hver for seg, men i ekstreme situasjoner overlapper de – og da finnes det fortsatt ikke en samlet teori som forener begge.
Falskt vakuum-forfall er interessant nettopp fordi det starter som en kvanteprosess, men kan få konsekvenser på kosmiske skalaer. Derfor blir fenomenet sett på som et mulig «testområde» for å forstå hvordan kvantefysikk og relativitet henger sammen.
Hva er et falskt vakuum?
Ifølge kvantefeltteori finnes det ikke et perfekt tomrom. Det vi kaller vakuum i rommet er i stedet den laveste energitilstanden til et kvantefelt. Men det kan også finnes flere lokale «bunner» i energilandskapet, altså stabile eller delvis stabile nivåer som ikke nødvendigvis er den mest stabile tilstanden.
Man kan se for seg et landskap med flere innsjøer, der noen er dypere enn andre. Under innsjøene finnes et enda dypere basseng. Hvis det plutselig åpnes en «tunnel» i bunnen av en av innsjøene, vil vannet renne ned i det dypere bassenget.
I universet er det ikke vann som renner bort. I stedet kan et lite område av rom «tunnele» over til en mer stabil, lavere energitilstand. Dette kan danne en slags boble. Dersom boblen blir stor nok til å passere en kritisk størrelse, vil den kunne vokse raskt og omdanne alt den møter til den nye tilstanden.
Derfor krever fenomenet både kvantefysikk (for selve overgangen) og relativitet (for hvordan en slik boble ville utvikle seg på enorme avstander). Ingen av teoriene kan alene beskrive hele prosessen fullt ut.
Simulering i labben med Rydberg-atomer
Laboratorieeksperimentet gikk ikke ut på å manipulere en ekte vakuumlomme i rommet. I stedet brukte forskerne et fysisk system som kan oppføre seg på en måte som ligner matematikken bak falskt vakuum-forfall: en ring av såkalte Rydberg-atomer.
I et vanlig atom er elektronene bundet rundt kjernen. Tilfører man litt energi, kan elektronskyen utvide seg noe. Et Rydberg-atom oppstår når et atom får tilført mye energi, slik at elektronene kommer svært langt fra kjernen, men fortsatt forblir bundet. Slike atomer blir uvanlig store til atomer å være, og elektronene er løst bundet. Det gjør dem spesielt nyttige i eksperimenter, fordi effekter kan bli tydeligere enn i vanlige atomsystemer.
Forskerne plasserte et jevnt antall Rydberg-atomer i en ring, der atomene frastøter hverandre. I denne strukturen ender spinnet til hvert atom opp med å peke motsatt av naboene på hver side, slik at det oppstår et symmetrisk, vekslende mønster.
Deretter brukte de lasere til å bryte symmetrien i systemet. Det gjorde at ringen kunne eksistere i to ulike mønstre med litt forskjellig energi. Det ene mønsteret representerte et «falskt vakuum», og det andre et «ekte vakuum» – en mer stabil tilstand.
Et fall mot en mer stabil tilstand
Når symmetrien var brutt, kunne systemet «henfalle» mot en foretrukket grunntilstand. Hvor raskt det skjedde, var avhengig av styrken på laserpåvirkningen som brøt symmetrien.
Dette samsvarer med en vanlig forklaring på hvordan falskt vakuum-forfall kan skje i teorien: at det dannes en kvanteboble som inneholder den mer stabile tilstanden. Dersom betingelsene gjør boblen enklere å danne, øker sannsynligheten for at overgangen skjer.
Eksperimentet gir ikke et direkte svar på om universet faktisk står i fare for et slikt forfall. Men det støtter sentrale teoretiske forventninger om hvordan en slik prosess kan arte seg, og viser at Rydberg-atomer kan brukes som et nytt verktøy for å studere området der kvantefysikk og relativitet møtes.
På sikt kan slike simuleringer bidra til bedre forståelse av grunnleggende fysikk – og kanskje også til å avklare hvor realistisk det er at universet en dag kan «skifte tilstand» på dramatisk vis.
Studien er publisert i Physical Review Letters.
