Kuantum teorisi: Evrenin sahte bir boşluktan gerçek bir boşluğa olası yolu

Evrenin sahte boşluktan gerçek boşluğa olası yolu

Evrenimiz, daha istikrarlı bir gerçek boşluğa kozmik bir geçiş gerçekleşene kadar sözde sahte bir boşlukta mı sıkışıp kalacak? Bu soruyu cevaplamak için, süreç bir kuantum bilgisayarı kullanılarak modellendi. Sonuçlar, evrenin kökenine ve birkaç milyar yıl sonraki kaderine ışık tutabilir.

Kuantum tavlama sistemi, vakum bozunmasının temel sürecini simüle ederek gerçek vakum kabarcıkları arasındaki etkileşimleri anlama olasılığını açtı. [ Daha büyük resmi görüntüle ]

Kuantum alan teorisinin öncüsü Sidney Coleman, yaklaşık 50 yıl önce evrenimizin en kararlı haline ulaşmamış olabileceğini, bunun yerine sözde sahte bir boşlukta hapsolmuş olabileceğini öne sürmüştü. Bu teoriye göre, bildiğimiz evren daha da kararlı, gerçek bir boşluk durumuna geçişin eşiğinde olabilir. Ancak bu geçiş kesinlikle sorunsuz olmayacaktır. Aksine, evrenin yapısında feci bir değişime yol açabilir.

İngiltere'deki Leeds Üniversitesi'nde profesör olan Zlatko Papić, "Evrenin yapısını tamamen değiştirecek bir süreçten bahsediyoruz. Temel sabitler anında değişebilir ve bildiğimiz dünya bir iskambil kulesi gibi çökebilir," diye açıklıyor. Ancak zaman dilimini tahmin etmek hâlâ zor. Muhtemelen milyonlarca hatta milyarlarca yılı kapsıyor. "Asıl ihtiyacımız olan, bu süreci gözlemlemek ve zaman ölçeklerini belirlemek için kontrollü deneyler."

Papić, Forschungszentrum Jülich'ten Jaka Vodeb ve Avusturya, Klosterneuburg'daki Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki Maksym Serbyn grubunda doktora sonrası araştırmacı olan Jean-Yves Desaules'in yer aldığı uluslararası bir iş birliği, vakum bozunması olarak bilinen bu sürecin modellenmesini mümkün kıldı. Kuantum dinamiklerine dair anlayışımızı yeniden tanımlayarak, bu çalışma kuantum bilgi biliminin ilerlemesine ve dolayısıyla evrenin temel fiziğiyle ilgili en zorlu problemlerden bazılarını çözme potansiyeline katkıda bulunabilir.

Vakum bozunmasının mekanizmasıyla ilgili birçok temel soru, örneğin gerçek vakum kabarcıklarının nasıl oluştuğu, hareket ettiği, etkileşime girdiği ve yayıldığı gibi, cevapsız kalmaktadır. Fizikçiler, bu anlaşılması zor mekanizmayı anlamak için laboratuvarda modelleme stratejileri geliştirmek zorunda kaldılar. Bu amaçla, karmaşık optimizasyon problemlerini çözmek, yani olası çözümler kümesinden en iyi çözümü bulmak için tasarlanmış bir tür kuantum bilgisayarı kullandılar. 5564 kübitlik "kuantum tavlama sistemi" olarak adlandırılan bu makine, ekibin vakum durumlarını kuantum hesaplamadaki temel bilgi birimleri olan kübitleri kullanarak modellemesine olanak sağladı.

Desaules, "Öncelikle bu 5564 kübiti sahte vakumu temsil eden belirli konfigürasyonlara yerleştirerek, gerçek vakumu modelleyen kabarcıkların oluşumunu tetikleyecek koşulları dikkatlice kontrol edebildik," diyor. "Kabarcık oluşumu, vakum bozunmasının ilk adımıdır. Bunu gerçek zamanlı olarak gözlemleyebildiğimiz için çok mutluyuz."

Deneyler, ekibin vakum bozunma mekanizmasına bakış açısını değiştirdi. Tipik olarak incelenen kural kümelerinin aksine, büyük kuantumlu baloncukların esasen izole bir şekilde donmuş olduğunu gördüler. Bu kadar büyük baloncukların evrimleşmesinin tek yolu, komşu bir baloncukla etkileşime girmektir. İki baloncuktan biri küçülürken diğeri büyüyebilir. Ve bir baloncuk çok küçük bir boyuta küçüldüğünde, serbestçe "dans etmeye" başlar. Desaules, "Sonuçlarımız muhtemelen vakum bozunmasının dinamiklerine dair yeni bir fiziksel resim sunuyor. Mekanizmayı, daha büyük veya daha ağır baloncukların doğrudan birbirleriyle etkileşime girdiği, daha küçük ve daha hafif baloncukların ise serbestçe zıpladığı heterojen bir baloncuk gazı olarak düşünebiliriz," diyor.

Bilim insanları, kuantum tavlama sisteminin teorik fiziğin ötesine uzanan gerçek dünya pratik problemlerini çözme potansiyeline sahip olduğuna inanıyor. Çalışmaları, kuantum tavlama sistemlerinin tasarlandıkları optimizasyon görevlerinden çok daha fazlasını başarabildiğini, kabarcık oluşumu gibi dinamiklerle ilgili olayları da yakalayabildiğini gösteriyor. Vodeb, "Bu çığır açan gelişmeler yalnızca bilimsel bilginin sınırlarını zorlamakla kalmıyor, aynı zamanda kriptografi, malzeme bilimi ve enerji tasarruflu bilgi işlem gibi alanlarda devrim yaratabilecek gelecekteki teknolojilerin de önünü açıyor," diyor.

Sonuçlar Nature Physics dergisinde yayımlanan bilimsel bir makalede anlatılıyor.