우주는 이상한 양자 현상으로 인해 제자리에 멈춰 있는 것 같습니다

존재의 근본적인 물리학에는 깊은 우려가 있습니다. 우주는 우리가 이상적으로 원하는 만큼 안정적이지 않을 수도 있다는 것입니다.

양자장 이론은 우리 주변의 보이지 않는 양자장을 설명하여 입자와 물질로 나타나는 아원자 진동을 생성합니다.

이러한 필드는 그릇 바닥에 가라앉은 대리석과 같이 가능한 가장 낮은 에너지 상태를 찾는 경향이 있으며 특정 필드는 현재보다 더 낮은 에너지 상태를 가질 수 있습니다.

새로운 연구에서는 우주론 및 천체 물리학 저널영국 포츠머스 대학교 팀이 이끄는 연구진은 양자장이 효과적으로 제자리에 고정될 수 있음을 시사하는 몇 가지 안심할 수 있는 발견을 자세히 설명하고 있으며, 이는 우주가 안정적으로 유지되는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구 결과는 양자 터널링으로 알려진 효과를 통해 필드가 경고 없이 상태를 이동할 수 있다는 우려를 해결합니다. 전자를 포함한 입자에 질량을 부여하는 힉스 장은 과학자들이 ‘거짓 진공’에 놓여 있을 수 있다고 생각하는 분야 중 하나입니다.

포츠머스 대학의 물리학자 롭슨 크리스티(Robson Christie)는 “원칙적으로 더 깊은 최소점으로의 전환은 우주를 근본적으로 다른 상태로 가져갈 것이며, 물질의 구조와 그것을 지배하는 힘이 변경될 것”이라고 말했습니다.

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연구자들은 우주가 팽창함에 따라 서로 상호작용하는 양자장의 행동을 추적하면서 우주의 수학적 모델을 구성했습니다. 이는 본질적으로 에너지 상태를 나타내는 불평등한 계곡의 단순화된 시뮬레이션이었습니다.

모델에서 중요한 것은 다른 필드, 즉 주변 환경으로 둘러싸인 한 필드의 설정이었습니다. 이는 섬세한 양자 시스템이 환경의 간섭으로 인해 라인에서 벗어날 수 있는 양자 컴퓨팅의 결맞음 개념과 관련이 있습니다.

뉴욕 시러큐스 대학의 컴퓨터 과학자 Greg Kaplank은 “완벽한 격리는 이상화입니다.”라고 말합니다.

“예를 들어 양자 컴퓨터를 생각해 보세요. 우리는 이러한 기계에 저장된 양자 정보를 환경으로부터 보호하기 위해 엄청난 노력을 기울이고 있습니다. 왜냐하면 약한 상호 작용조차도 양자 상태를 빠르게 변경할 수 있기 때문입니다.

“우주론에서도 비슷한 일이 일어납니다. 필드는 결코 혼자가 아닙니다.”

주변 환경이 컴퓨터에서 결맞음과 양자 효과의 손실을 일으킬 수 있는 것과 유사한 방식으로, 주변 장도 양자 장에서 양자 효과(파괴적인 터널링 동작)의 가능성을 제한할 수 있다고 연구진은 모델을 통해 확인했습니다.

연구팀은 이를 ‘우주 봉쇄’라고 부르는데, 이는 물리학자들이 우려했던 계곡 점프가 불가능하지는 않지만 강력하게 억제될 수 있다는 의미다.

모델 분석은 또한 우주 팽창 속도(허블 척도)와 관련된 양자장의 질량이 처음에 필드가 발견되는 계곡에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.

“허블 규모에 비해 무거운 자기장은 우주가 팽창함에 따라 변화에 빠르게 적응할 수 있으며, 이 경우 가장 깊은 에너지 최소치인 진정한 진공을 향해 이동할 가능성이 높습니다.”라고 Christie는 말합니다.

“장 역학에 비해 확장이 너무 빠르면 시스템이 변화를 따라갈 수 없습니다. 이 경우 장도 잘못된 진공 상태에 빠질 가능성이 상당히 높습니다.”

연구자들은 이를 또 다른 알려진 현상인 양자 제노 효과(Quantum Zeno Effect)와 비교합니다. 이는 본질적으로 시스템이 측정되거나 모니터링되기 시작할 때 상태가 변경되지 않는다고 가정합니다. 여기서는 양자장 상호작용이 수행됩니다.

우주의 운명에 관해서라면 우리는 좀 더 편하게 쉴 수 있을 것입니다. 하지만 연구자들은 이 아이디어를 더 조사하고 힉스 장과 같은 실제 양자 장을 분석하기 위해서는 더 복잡한 모델이 필요하다는 것을 인정합니다.

포츠머스 대학의 우주학자 데이비드 완즈(David Wands)는 “이러한 종류의 메커니즘이 보다 현실적인 우주론적 상황과 관련이 있다면 이미 잘못된 진공 상태에 있는 장을 안정화하는 데 도움이 될 수 있지만 이것이 힉스 장에 얼마나 적용될 수 있는지 이해하려면 보다 현실적인 모델이 필요하다”고 말했습니다.

이 연구는 다음에서 출판되었습니다. 우주론 및 천체 물리학 저널.