فیزیکدانان مدت‌هاست در خصوص ثبات بنیادی جهان دغدغه دارند، چرا که نظریه میدان کوانتومی نشان می‌دهد که میدان‌های انرژی ممکن است در حالتی ناپایدار، یا به اصطلاح «خلاء کاذب» قرار داشته باشند. در صورتی که این میدان‌ها به صورت ناگهانی به وضعیتی با انرژی پایین‌تر تغییر وضعیت دهند، ساختار ماده و نیروهای مسلط بر آن به طرز قابل توجهی دچار دگرگونی خواهند شد. اما یافته‌های جدید از دانشگاه پورتسموث در بریتانیا نشان می‌دهد که میدان‌های کوانتومی قادرند به طور مؤثر وضعیت خود را «قفل» کرده و از این رو، پایداری جهان را حفظ کنند.
نگرانی‌ها درباره «خلاء کاذب» و میدان هیگز
نظریه میدان کوانتومی به بررسی میدان‌های انرژی نامرئی می‌پردازد که ذرات و ماده را تشکیل می‌دهند. این میدان‌ها به طور طبیعی تمایل دارند به پایین‌ترین حالت انرژی خود برسند، مشابه یک تیله که به آرامی در زیر کاسه قرار می‌گیرد.
نگرانی اصلی در این زمینه این است که برخی میدان‌ها، از جمله میدان هیگز که مسئول ارائه جرم به ذرات است، ممکن است در حالتی «خلاء کاذب» قرار گیرند؛ حالتی که پایدار نیست. رابسون کریس، فیزیکدان دانشگاه پورتسموث اظهار می‌کند: «در واقع، انتقال به این حداقل انرژی عمیق‌تر می‌تواند جهان را وارد حالت ریشه‌ای کاملاً متفاوتی کند که در آن ساختار ماده و نیروهایی که بر آن اثر می‌گذارند به کلی تغییر خواهند کرد.» یافته‌های جدید به نگرانی‌های مربوط به «تونل‌زنی کوانتومی» پاسخ می‌دهد، پدیده‌ای که می‌تواند باعث تغییر ناگهانی حالات میدان‌ها گردد.
چگونه «قفل کیهانی» از جهان محافظت می‌کند؟
تحقیقات علمی یک مدل ریاضی از جهانی در حال انبساط ایجاد کردند و رفتار میدان‌های کوانتومی را هنگامی که با یکدیگر تعامل دارند، مورد بررسی قرار دادند. این مدل نشان می‌دهد که یک میدان محصور شده توسط میدان‌های دیگر تحت تأثیر محیط اطراف خود قرار می‌گیرد. این مفهوم مشابه «واهمدوسی» در زمینه رایانش کوانتومی است، جایی که سیستم‌های کوانتومی حساس ممکن است در اثر محیط خود دچار اختلال شوند. گرگ کاپلانک، دانشمند علوم کامپیوتر، توضیح می‌دهد: «انزوای کامل یک ایده‌آل محسوب می‌شود. همان‌طور که محیط می‌تواند منجر به واهمدوسی و از دست دادن اثرات کوانتومی در رایانه‌ها شود، میدان‌های اطراف نیز می‌توانند احتمال بروز اثرات کوانتومی (رفتار فاجعه‌بار تونل‌زنی) را در میدان‌های کوانتومی محدود کنند.» تیم تحقیقاتی این پدیده را «قفل کیهانی» نامیدند؛ به این معنا که پرش به سمت دره انرژی که فیزیکدانان نگران آن بودند، به شدت سرکوب می‌شود، اگرچه کاملاً غیرممکن نیست.
تأثیر جرم میدان‌ها و مقیاس هابل
تحلیل‌های انجام شده بر روی مدل نشان داد که جرم یک میدان کوانتومی می‌تواند بر اساس سرعت انبساط جهان (مقیاس هابل) حالت اولیه انرژی که میدان در آن قرار دارد را تحت تأثیر قرار دهد. رابسون کریس توضیح می‌دهد: «اگر یک میدان در مقایسه با مقیاس هابل سنگین باشد، می‌تواند به سرعت با تغییرات ناشی از انبساط جهان سازگار شود و در این حالت به احتمال زیاد به سمت خلأ واقعی (عمیق‌ترین حداقل انرژی) حرکت کند.» اما اگر انبساط سریع‌تر از دینامیک میدان در حال وقوع باشد، این سیستم قادر نخواهد بود خود را با تحولاتی که رخ می‌دهد تطبیق دهد و احتمال بیشتری وجود دارد که میدان همچنان در همان خلاء کاذب باقی بماند.
این تحقیقات با پدیده‌ای به نام «اثر زنو کوانتومی» مقایسه می‌شود؛ پدیده‌ای که طبق آن یک سیستم در زمان اندازه‌گیری یا نظارت، حالت خود را تغییر نمی‌دهد و تعاملات میدان‌های کوانتومی نیز نقش مشابهی ایفا می‌کنند. با این حال، پژوهشگران اذعان دارند که برای بررسی دقیق‌تر این مفهوم و تحلیل میدان‌های کوانتومی واقعی نظیر میدان هیگز، نیاز به مدل‌های پیچیده‌تری است. دیوید واندز، کیهان‌شناس، اظهار می‌دارد: «اگر این مکانیسم بتواند در سناریوهای کیهان‌شناختی واقعی‌تر به کار رود، ممکن است به پایداری میدانی که اکنون در حالت خلاء کاذب قرار دارد کمک کند.» این پژوهش در مجله Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده است.