Kuantum etkileşimleri evreni sahte vakumda kilitlemiş olabilir

Evrenimiz, olası en kararlı hâlinde olmayabilir; ama yeni bir kuramsal çalışmaya göre bu durumdan kolay kolay çıkamayacak şekilde "kilitlenmiş" olabilir. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics dergisinde yayımlanan makale, kuantum bilgisayar araştırmalarında sıkça incelenen bir olgunun, erken evrende kuantum alanlarını yerleştikleri enerji durumunda tutabileceğini öne sürüyor. Araştırmacılar bu etkiye "kozmik kilitlenme" adını verdi.

Sahte vakum kaygısı

Fizikte "vakum", bir alanın olası en düşük enerjili durumunu anlatır. Ancak bazı alanlar, kararlı görünen ama aslında en düşük enerji düzeyi olmayan bir duruma, yani "sahte vakuma" yerleşmiş olabilir. Bir topun dağ yamacındaki küçük bir çukurda durması gibi düşünülebilir: Top yerinden oynamıyor, ama aşağıda daha derin bir vadi var.

Klasik fizikte topun bu çukurdan çıkması için dışarıdan bir itki gerekir. Kuantum mekaniğinde ise tünelleme denen olgu sayesinde bir alan, hiçbir uyarı olmadan engeli aşıp daha düşük enerjili duruma geçebilir. Bu tür bir "sahte vakum bozunması" fikri 1970'lerde Sidney Coleman'ın çalışmalarıyla şekillendi; 1980'de Coleman ile Frank De Luccia kütleçekimin bu süreci nasıl etkilediğini inceledi.

Konu yalnızca kuramsal bir merak değil. Higgs bozonunun yaklaşık 125 GeV'lik ölçülen kütlesi ve top kuarkın kütlesiyle birlikte yapılan hesaplar, parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanının tam kararlı değil, "yarı kararlı" bir durumda olabileceğine işaret ediyor. Böyle bir alan daha derin bir duruma tünellerse, oluşan yeni vakum kabarcığı ışık hızına yakın bir hızla yayılır ve parçacıkların ve kuvvetlerin özelliklerini geçtiği her yerde değiştirirdi. Neyse ki Standart Model hesapları bunun olasılığını son derece düşük buluyor; bir hesaba göre elektrozayıf vakumun ömrü yüzde 95 güvenle 10^65 yıldan uzun, yani evrenin yaklaşık 13,8 milyar yıllık yaşının çok çok ötesinde.

Çalışma ne buldu?

Makalenin yazarları Syracuse Üniversitesi'nden doktora sonrası araştırmacı Gregory Kaplanek, Portsmouth Üniversitesi'nden Robson Christie, Jaewoo Joo ve David Wands ile Fransa'daki École Normale Supérieure Fizik Laboratuvarı'ndan Vincent Vennin. Kaplanek, Syracuse'da Jason Pollack'ın laboratuvarında çalışıyor.

Ekip, asimetrik bir "çift çukurlu" enerji yüzeyinde hareket eden bir kuantum alanını, evrenin ilk anlarındaki hızlı genişleme olan kozmik şişme sırasında modelledi. Bu alan yalnız değil; çevresindeki başka alanlarla etkileşiyor. Araştırmacılar bu etkileşimlerin tünellemeyi güçlü biçimde bastırabildiğini, alanı içinde bulunduğu duruma etkin biçimde hapsettiğini gösterdi.

Kuantum bilgisayarlardan kozmolojiye

Çalışmanın arkasındaki fizik, "açık kuantum sistemler" alanından geliyor. Bu alan, kuantum sistemlerin yalıtılmış değil, çevreleriyle sürekli etkileşim hâlinde nasıl evrildiğini inceliyor. Kuantum bilgisayarlarda dışarıdan gelen en küçük etkinin bile kırılgan kuantum bilgiyi bozabilmesi, bu alanın merkezî sorunlarından biri. Ekip bu kuramsal araçları, genişleyen evrende evrilen bir kuantum alanının sayısal benzetimleriyle birleştirdi.

Basitleştirirsek, alan ile çevresi arasındaki etkileşimler alana dair bilgiyi çevreye taşıyor. Bu bilgi etkin biçimde kaybolduğunda, iki olası sonuç arasındaki kuantum girişimi söner; buna dekoherans deniyor. İncelenen koşullarda bu girişim kaybı, alanın tünelleme yeteneğini de bastırıyor.

Bu, kuantum Zeno etkisinin bir türü. Etkinin adını 1977'de Baidyanath Misra ve George Sudarshan, Elealı Zenon'un uçan okun her an aslında hareketsiz olduğunu söyleyen paradoksuna gönderme yaparak koydu. İlk deneysel doğrulaması 1990'da ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) tuzaklanmış berilyum iyonlarıyla yapıldı. Kısaca "izlenen bir sistem değişemez" diye özetlenen etkide, sık ölçüm ya da çevreyle güçlü etkileşim bir sistemin durum değiştirmesini engelliyor.

İki aşamalı bir süreç

Araştırmacılara göre kilitlenme iki adımda gerçekleşiyor. İlk aşamada alanın, evrenin hızlı genişlemesine ne kadar ayak uydurabildiği, iki enerji durumundan hangisine yöneleceğini büyük ölçüde belirliyor. Ağır alanlar yavaş ve düzenli biçimde en düşük enerjili gerçek vakuma doğru gevşerken, hafif alanlar iki durum arasında daha eşit bölünebiliyor; hatta sahte vakumda bulunma olasılıkları artabiliyor. İkinci aşamada çevreden gelen dekoherans devreye giriyor ve o ana kadar ortaya çıkan sonucu kilitliyor. Bundan sonra iki vakum arasındaki kuantum tünellemesi güçlü biçimde bastırılıyor.

Sınırlar ve önemi

Yazarlar sonuçların abartılmaması gerektiğinin altını çiziyor. Çalışma, evrenin bugünkü durumunun sonsuza dek kararlı kalacağını kanıtlamıyor; Higgs alanının eninde sonunda bozunma olasılığını da belirlemiyor. Bunun için kozmik genişleme hızının zamanla değişmesi ve alanın kütleçekimi üzerindeki kendi etkisi gibi ek etmenlerin de hesaba katılması gerekiyor.

Yine de çalışma, kuantum bilgi bilimi ile kozmoloji arasında kurulan yeni bir köprü olarak öne çıkıyor. Aynı ekip, kozmik şişmeyi açık kuantum sistem bakışıyla ele alan başka çalışmalar da yayımladı. Kuantum bilgisayarların hatalarla boğuşurken geliştirilen araçların, evrenin geçmişi ve uzun vadeli kaderi hakkındaki en temel sorulardan birine uygulanması, iki alanın birbirini nasıl besleyebileceğini gösteriyor.

Kısaca

• Evren, en düşük enerjili olmayan bir "sahte vakum" durumunda olabilir.
• Yeni çalışma, erken evrende çevresel etkileşimlerin kuantum tünellemeyi bastırabileceğini gösteriyor.
• Mekanizma, kuantum bilgisayarlarda da önemli olan dekoherans ve kuantum Zeno etkisine dayanıyor.
• Sonuç, evrenin sonsuza dek kararlı olduğunu kanıtlamıyor; ek etmenlerin hesaplanması gerekiyor.