Kvantinis eksperimentas, galintis padėti rasti multivisatos įrodymus

Didžiojo sprogimo spinduliavime gali būti likę susidūrimų su kitomis visatomis randai. Nauju eksperimentu siekiama tuos susidūrimus pamėgdžioti ir padėti jų ieškoti

Kaip turintis padėti mums aptikti kitų visatų įrodymus, šis eksperimentas atrodo stulbinamai kuklus. Zoranui Hadzibabicui įvedus mane į laboratoriją, ji veikiau primena klasę linoleumo grindimis, fluorescentinėmis lempomis ir formulėmis išmarginta rašomąja lenta. Ir visgi jis vykdomas čia – tarp nerūdijančiojo plieno talpų ir ryškių vielų ant platformos, tyrėjai stengiasi atkurti pirmykštį kvantinį burbuliavimą, kuris galėjo sukurti mūsų visatą didžiulėje multivisatoje.

Idėja, kad mūsų visata – tik viena iš daugelio, yra labai viliojanti, ir ją remianti fizika atrodo ganėtinai patikima, ta prasme, kad pati ši idėja išaugo iš plačiai pripažintų kosmoso raidos teorijų. Bet kartu ši idėja neturi jokių empirinių įrodymų – ir būtent tuo užsiima Hadzibabico eksperimentas Kembridžo universitete.

Tyrėjai mano, kad iki ekstremaliai žemos temperatūros atšaldžius kalio atomus ir jais manipuliuojant, turėtų spontaniškai rastis burbuliukai, kurie būtų savotiški kitais būdais nematomų naujas visatas kuriančių procesų tarpininkai. Tyrinėdami tuos burbuliukus, galėtume naujai pažvelgti, kokius ženklus galėjo palikti ankstesni mūsų visatos susidūrimai su kitomis visatomis, ir galėtume jų ieškoti astronominiuose duomenyse.

„Svajonių svajonė būtų aptikti duomenyse iš dangaus kažką tokio, ką stebėjome, kas patvirtintų tai, ką prognozavome šiuo eksperimentu,“ sako Perimetero instituto Kanadoje fizikos teoretikas Mattas Johnsonas.

Kas yra multivisata?

Kad būtų aišku, čia kalbame apie infliacinę multivisatą, kurios nereikėtų painioti su kvantine multivisata, numatoma „daugelio pasaulių“ kvantinės teorijos interpretacijoje, kurioje kiekvieną kartą, kai stebime kvantinį objektą ir taip kolapsuojame jo tikimybių debesį į kažką apibrėžto, visos įmanomos baigtys tęsiasi paralelinėse visatose.

Infliacinė multivisata ne tokia. Ši idėja įgavo formą devintajame dešimtmetyje, kai fizikas

ir

stengėsi perprasti stebėjimus, rodančius, kad didžiojo sprogimo atšvaistai – kosminis mikrobangų fonas (KMF), – nepaaiškinamai tolygus. Jie iškėlė mintį, kad pirmosiomis sekundės dalimis, vadinamuoju infliacijos periodu, visata plėtėsi eksponentiškai. Tačiau besigilindami į šią idėją, jie suprato, kad menkai tikėtina, jog kartą prasidėjusi, infliacija sustojo. Ji galėjo baigtis mūsų visatoje, bet tęstis visur kitur, taip kurdama begalę visatų „burbulų“.

Tarp šių visatų burbulų besiplečianti erdvė greitai juos atskiria, tad šansų sąveikauti buvo nedaug. Bet jeigu šio visatos užgimė pakankamai arti viena kitos, manoma, kad prieš išsiskirdamos, jos galėjo susidurti – tad mūsų visatoje turėtų būti likę aptinkami tokių susidūrimų pėdsakai, kažkokios žymės, „randai“.

Bet kaip jų ieškoti? Kosmologai seniai ir įvairiausiais būdais stengėsi aptikti multivisatos pėdsakus. Kai kurie tai padaryti bando netgi be jokių stebėjimų (žr. „Kaip taip gali būti?“). Bet dauguma kosmologų sutaria, kad geriausia paieškų vieta yra KMF. Kitaip tariant, reikia žvelgti dangop.

2011 metais Johnsonas su Hiranya Peiris iš UCL ir jos kolegomis, parodė, kad susiduriantys visatų burbulai KMF turėtų palikti apskritus randus. Jie sukūrė algoritmą šukuoti ankstesnius KMF atvaizdus, ieškant juose tokių pėdsakų. Radiniai buvo daug žadantys: keturios sritys danguje atitiko tokių susidūrimų numanomą formą. Tai džiugino, bet nebuvo įrodymas.

„Mūsų testuose buvo ne viskas buvo aišku,“ sako Peiris – o būtent, kokia sparta turėtų formuotis nauji visatų burbulai, ir kokia jų susidūrimo tikimybė. „Nustatėme labai platų šių parametrų spektrą,“ sako ji, dėl ko kilo didelis teorinis neapibrėžtumas. Kad jį sumažintų ir patikslintų savo prognozes, Peiris ir Johnsonui reikėjo geriau perprasti visatų gimimo proceso subtilybes.

Tikimasi, kad tam galėtų pasitarnauti Hadzibabico eksperimentas. Norint suprasti, kaip, pirmiausia reikia susipažinti su keistu kvantinės teorijos pasauliu, dėsniais, valdančiais fundamentaliausius gamtos komponentus, ir kaip ji susijusi su visatų formavimusi.

Kvantinė mechanika

Kvantinėje teorijoje, žemiausia įmanoma erdvėlaikio energijos būsena – kur viskas ir vyksta, įskaitant įmanomą multivisatą – vadinama vakuumu. Bet jeigu erdvė tarp visatų nuolatos plečiasi, ji negali būti tikru vakuumu – plėtimuisi reikia iš kažkur gauti energijos. Kvantinio lauko teorija, matematinis karkasas, apjungiantis kvantinę teoriją ir Alberto Einšteino specialiojo reliatyvumo teoriją, sako, kad yra daugiau nei viena vakuumo būsena, bet dauguma jų yra „netikros“ – t.y., ne mažiausios įmanomos energijos.

Kadangi gamta visada stengiasi įgauti mažiausios energijos būseną, netikras vakuumas nėra visiškai stabilus. Sakoma, jis „metastabilus“. O kvantinėje srityje, dalykai gali paslaptingai „tuneliuoti“ į žemesnės energijos būseną – lyg akmenėlis iš vienos pievos staiga atsidurtų gretimoje, neįveikdamas tarp jų stovinčios kalvos.

Kosmologams šie kvantiniai vadinamieji netikrojo vakuumo irimo procesai rūpi, nes jais galima paaiškinti kaip prasidėjo mūsų visata ir kaip galėjo prasidėti kitos. Mūsų visatos pradžios stebėjimai, taip pat ir ankstyvojo spartaus jos plėtimosi, rodo, kad ji radosi kaip burbulas. Tai galėjo būti susiję su kosmoso tuneliavimu į žemesnės energijos būseną. Šį procesą fizikai vadina faziniu perėjimu, prieš galiausiai pasiekiant tikrą vakuuumą.

Tik bėda, kad mes to negalime žinoti užtikrintai. Geriausias turimas šio hipotetinio scenarijaus patvirtinimas kyla iš sudėtingų kvantinio lauko teorijos lygčių, ir tik smarkiai aproksimuojant. „Naudojant geriausius turimus matematikos įrankius, šis burbulas nukleatizuojasi [pasirodo] iš karto – idealiai susiformavęs – viename erdvės taške,“ aiškina Peiris. „Negalime atsekti, kaip jis nuo kalno viršūnės atsiduria pievoje.“ Ir kol nesužinosime šio proceso detalių, negalėsime iki galo pasitikėti savo teorijomis, teigia ji.

Tačiau 2017 metais fizikai iš Naujosios Zelandijos ir Australijos publikavo žaidimą pakeitusį darbą. Jų straipsnyje parodyta, kad tinkamomis sąlygomis netikro vakuumo suirimą ankstyvojoje visatoje aprašančios lygtys yra ekvivalentiškos aprašančioms kvantinės fazės perėjimą egzotiškame Bose-Einšteino kondensate (BEK) – įprastai sudarytame iš itin žemos temperatūros atomų – kuriame sukuriami tikrą vakuumą atitinkantys burbuliukai. Mokslininkai teigė, kad studijuojant tokių burbuliukų formavimąsi ir elgesį laboratorijoje, galima būtų sužinoti ir apie visatų formavimąsi, taip užpildant spragas, su kuriomis, ieškodama potencialių multivisatos įrodymų, susidūrė Peiris, tarkime, tokių burbulinių visatų susidūrimo tikimybės.

Johnsoną su kolegomis ši idėja suintrigavo. Bet tik po to, kai atidžiai ištyrė lygtis, kurių koncepcija atrodė verta eksperimentinio tyrimo. Tuomet jie pradėjo bendradarbiavimą su panašių šalto atomo sistemų tyrimo patirtį turinčiu fizikos eksperimentuotoju iš Nottinghamo universiteto, JK, Silke Weinfurtneriu. Dabar Weinfurtneris vadovauja kondensato burbulo idėją tiriantį fizikos teoretikų ir eksperimentuotojų tarptautinį konsorciumą.

Naujasis eksperimentas

Iš pradžių Hadzibabicas galimybę sukurti pakankamai sudėtingą tiesioginį kosmologinio netikro vakuumo irimo analogą vertino skeptiškai. Pavyzdžiui, mėginys turi būti tolygus, kad burbulai galėtų formuotis bet kur, ir pakankamai šaltas, kad pasireikštų terminių fluktuacijų netrikdomi, tikri kvantiniai efektai. Bet padiskutavęs su kolegomis ir panagrinėjęs susijusią matematiką, jis darėsi vis optimistiškesnis minties, kad tai galėtų mums kažką parodyti apie ankstyvą visatą, atžvilgiu. „Tai savotiškas Occamo skustuvas [idėja, kad paprasčiausias paaiškinimas dažniausiai būna ir tiksliausias],“ sako jis, „kiek tik Occamo skustuvas gali būti taikomas visatos gimimui.“

Pirma, jau veikianti, stadija kuria BEK, atšaldydama kalio jonus iki žemiausios temperatūros visatoje. Kai mikronų dydžio dujų debesėlis pasiekia tokias temperatūras, jis elgiasi kaip viena kvantinė dalelė. Būtent todėl Bose-Einstein kondensatas toks naudingas, nes leidžia fizikams tyrinėti kvantinius procesus daugmaž savo akimis.

Paskui Hadzibabicas paruoš kondensatą metastabilaus vakuumo būsenoje ir lauks, kol šis kvantiniu tuneliavimu pereis į tikrojo vakuumo būseną, stebėdamas besiplečiančius tikrojo vakuumo burbulus. Ši studija truks sekundes, ir po to kondensatas bus sunaikintas, ir visas procesas – šaldymas, tuneliavimas, burbulų susidarymas – prasidės iš naujo.