Kozmik kilitlenme: Çevre kuantum alanlarını nasıl izole edebilir?

Basitleştirilmiş bir kozmolojik model, eşevresizliğin kuantum tünellemeyi bastırarak alanları ulaştıkları boşluk durumuna etkili bir şekilde kilitleyebileceğini öne sürüyor.

Boşluk her zaman bu kadar boş değildir. Portsmouth Üniversitesi Kozmoloji ve Yerçekimi Enstitüsü’nden Profesör David Wands, “Kozmolojide bir boşluktan bahsettiğimizde, tamamen enerjiden yoksun olmayı kastetmiyoruz” diye açıklıyor. “Vakum daha ziyade bir alanın enerjisinin minimum seviyesinde bulunduğu bir durumdur. Gerçek vakum mümkün olan en düşük minimumdur, ancak aynı zamanda yanlış boşluk dediğimiz yerel minimumlar da olabilir.” Bunu farklı derinliklerdeki vadilerden oluşan bir manzara olarak hayal edebiliriz: Gerçek boşluk en derin olanıdır, diğerleri ise sahte boşluktur.

Bu çöküntülerden birinde bulunan bir şey, başka bir yerde daha düşük enerjili bir durum mevcut olsa bile orada “sıkışıp kalmış” kalabilir. Evrene nüfuz eden temel fiziksel nesneler olan kuantum alanlarının başına gelebilecek şey tam olarak budur. Klasik alan, manyetik alan gibi, gücü noktadan noktaya değişen, uzayın her konumunda değeri olan bir şeydir. Kuantum alanları da benzer şekilde davranır ve uyarımları parçacıklar halinde görünür.

dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada Kozmoloji ve Astropartikül Fiziği DergisiRobson Christie, Jaewoo Joo, Greg Kaplanek, Vincent Vennin ve David Wands, genişleyen bir evrende bir alanın hangi boşlukta bulunabileceğini neyin belirlediğini araştırmak için basitleştirilmiş bir model kullandılar.

Higgs alanının durumu

Bu sorunun neden önemli olduğunu anlamak için yazarlar Higgs alanı örneğine dikkat çekiyorlar. Vakum değeri, bilinen temel parçacıkları ve dört temel kuvvetten üçünü tanımlayan teori olan Standart Model parçacıklarına kütle kazandırmaya katkıda bulunur ve düşük enerji fiziğinin yapısının belirlenmesine yardımcı olur.

Standart Modele dayanan bazı hesaplamalara göre Higgs alanının mümkün olan en düşük enerji durumunda değil, sahte bir boşlukta bulunması mümkündür; çok büyük alan değerlerinde ise ikinci, daha derin bir minimum mevcut olabilir.

Çalışma doğrudan Higgs alanıyla ilgili değil ancak bunu, daha düşük enerjili bir durum mevcut olmasına rağmen bir alanın yerel minimumda sıkışıp kalması durumunda neler olabileceğine dair somut bir örnek olarak kullanıyor.

Portsmouth Üniversitesi Matematik ve Fizik Fakültesi’nden araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı Robson Christie şöyle açıklıyor: “Prensipte, bu daha derin minimuma geçiş, evreni kökten farklı bir duruma sokacaktır; bu durumda maddenin yapısı ve onu yöneten güçler değişecektir.”

Böyle bir geçiş kuantum olgusu sayesinde mümkün olabilir. Dağlarla ayrılmış vadiler şeklindeki boşluk resmine dönelim. Klasik fizikte, daha sığ bir vadinin dibinde bulunan bir sistem, ancak aralarındaki dağı aşacak kadar enerjiye sahipse daha derindeki vadiye ulaşabilir. Kuantum mekaniğinde ise tam tersine, sistemin durumu bariyerin ötesine uzanabilir ve diğer tarafta ortaya çıkma ihtimali küçük olabilir: Bu kuantum tünellemedir.

Hiçbir alan gerçekten yalıtılmış değildir

Christie ve meslektaşları çalışmalarında çevrenin bir alanın gelişimini nasıl etkilediğini anlamak için basitleştirilmiş bir model oluşturdular.

Tünel açmaya ilişkin birçok hesaplama, alanı tamamen izole edilmiş olarak ele alır. New York’taki Syracuse Üniversitesi’nden araştırmacı Greg Kaplanek, “Ancak mükemmel izolasyonun bir idealleştirme olduğunu biliyoruz” diye açıklıyor. Gerçekte alanlar sürekli olarak diğer alanlarla ve onları çevreleyen şeylerle, yani çevreleriyle etkileşim halindedir.

“Örneğin, kuantum bilgisayarları düşünün: Bu makinelerde depolanan kuantum bilgisini çevreden korumak için çok büyük çaba harcıyoruz, çünkü onunla zayıf etkileşimler bile kuantum durumunu hızla değiştirebilir. Benzer bir şey kozmolojide de olur: Bir alan asla gerçekte yalnız değildir.”

Çevreyle etkileşimler uyumsuzluk olarak bilinen bir olguyu üretir. Bir kuantum sistemi farklı olasılıkların süperpozisyonunda var olabilir: Madeni para benzetmesini kullanırsak, bu sadece yazı veya tura değil, her iki olasılığı aynı anda içeren bir kuantum durumudur. Çevre ile etkileşim, bu süperpozisyonun korunmasını giderek zorlaştırmakta, sistemin giderek sıradan bir klasik sistem gibi davranmasına neden olmaktadır.

Yazarların modelinde çevre, ana alanla etkileşim halinde olan diğer alanlar tarafından temsil edilmektedir. İkincisi ayrıca başlangıçta her iki boşluğu da içeren bir kuantum süperpozisyonunda olabilir. Ancak çalışmanın sürprizlerinden biri, ortamın ilk boşluk seçiminde belirleyici bir rol oynamamasıdır.

Hafif alanlar ve ağır alanlar

Daha da önemlisi, Hubble ölçeğine göre, yani evrenin genişleme hızına göre alanın “hafif” mi yoksa “ağır” mı olduğudur.

Christie şöyle açıklıyor: “Hubble ölçeğine göre ağır olan bir alan, evren genişledikçe değişikliklere hızla uyum sağlayabilir ve bu durumda büyük olasılıkla gerçek boşluğa, en derin enerji minimumuna doğru hareket edecektir.”

Daha hafif alanlar için farklı bir şey olur. Christie şöyle devam ediyor: “Eğer genişleme, alanın dinamikleriyle karşılaştırıldığında çok hızlıysa, sistem değişikliklere ayak uyduramaz.” “Bu durumda, alanın da sahte boşluğa düşme ihtimali önemli olabilir.”

Başka bir deyişle, doğru ve yanlış boşluk arasındaki ilk seçim esas olarak alanın kendi dinamikleri ile kozmik genişleme hızı arasındaki ilişkiden etkilenir.

Kozmik kilitlenme

O halde sahte bir boşlukla sonuçlanan bir ışık alanı hayal edelim. Sonra ne olacak?

Mükemmel bir şekilde izole edilmiş bir kuantum sisteminde, diğer minimuma doğru tünel açmak hâlâ mümkün olacaktır. Ancak yazarların modelinde, çevre ile etkileşim eşevresizlik yaratır ve iki boşluk arasında tutarlı bir süperpozisyon sağlamak için gereken kuantum özelliklerini yok eder.

Kaplanek, “İlginç olan şey, alanın nereye varacağına öncelikle çevrenin karar vermemesidir” diye açıklıyor. “Ancak alan iki minimumdan birinde lokalize olduğunda, eşevresizlik onu orada tutma eğilimindedir. Diğer boşluğa doğru tünel açma güçlü bir şekilde bastırılır.”

Bu, yazarların “kozmik kilitlenme” adını verdiği olgudur: alanı ulaştığı boşlukta sabitleyen bir tür kilit. Yazarlar bunu kuantum Zeno etkisinin bir tezahürü olarak yorumluyor: Belirli koşullar altında, sürekli olarak izlenen bir kuantum sistemi, bir durumdan diğerine geçişte çok daha fazla zorluk yaşayabilir.

Elbette modeldeki hiç kimse alanı tam anlamıyla gözlemlemiyor. Kaplanek, “Bilinçli bir gözlemciye ihtiyacınız yok” diye açıklıyor. “Çevre sürekli olarak sistemin durumu hakkında bilgi topluyor. Bu süreç, iki olası boşluk arasındaki tutarlılığı yok ediyor ve birinden diğerine tünel açmayı çok daha zor hale getiriyor.”

Evrenimiz için iyi bir haber mi?

Çalışma basitleştirilmiş bir model olmaya devam ediyor ve mevcut Higgs boşluğumuzun kozmik kilitlenme tarafından korunduğunu göstermiyor. Ancak sonuç ilginç bir ilkeyi ortaya koyuyor: Çevreyle etkileşimler, başka bir duruma doğru tünel açmayı baskılayarak sahte bir boşluğu daha istikrarlı hale getirebilir.

Wands şu sonuca varıyor: “Bu tür bir mekanizma daha gerçekçi kozmolojik durumlarla ilgili olsaydı, o zaman zaten sahte bir boşlukta duran bir alanı istikrara kavuşturmaya yardımcı olabilirdi.” “Fakat bunun Higgs alanına ne kadar uygulanabileceğini anlamak daha gerçekçi modeller gerektirecek.”

Eğer Higgs alanımız gerçekten sahte bir boşlukta duruyorsa, o zaman kozmik kilitlenme en az bir güven verici olasılığa işaret ediyor: Çevresiyle etkileşim, kökten farklı bir duruma geçişi daha da zorlaştırmaya yardımcı olabilir.