真空は、その言葉が示唆するほど空っぽであることはほとんどない。宇宙論において真空とは、場がそのエネルギーの最小値に位置する状態を指す。エネルギーが完全に取り除かれた領域ではなく、場が休息できる谷底のようなものである。新しい研究は、そのような場を取り巻く環境がロックダウンのように働き、場がより深い低エネルギー状態へと逃れることを妨げる可能性があると主張している。
Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsに掲載されたこの研究は、Robson Christie、Jaewoo Joo、Greg Kaplanek、Vincent Vennin、David Wandsの各氏によるものである。研究チームは簡略化された宇宙論モデルを用いて、一見単純な問いに答えようとした。膨張する宇宙において、量子場がどの真空に落ち着くかを決めるのは何か、という問いである。
彼らの答えはデコヒーレンスに依拠している。デコヒーレンスとは、量子系が周囲との接触によって壊れやすい位相関係を失う過程である。より低いエネルギー状態への道を切り開くどころか、デコヒーレンスはその道を閉ざし、場をすでに占めている真空に事実上固定してしまう可能性がある。
宇宙論者が真空と呼ぶものの実際の意味
ポーツマス大学宇宙論・重力研究所の教授であるDavid Wands氏は、この用語の日常的な意味を慎重に排除しようとする。宇宙論的な真空とは、彼が説明するように、エネルギーが完全に欠如した領域ではない。場がそのエネルギーの最小値に休息している状態である。
この区別が重要である理由は、エネルギー地形には複数の最小値が存在しうるからだ。真の真空は可能な限り最も低い最小値、すなわち利用可能な最も深い谷を表す。しかし、偽の真空として知られるより浅いくぼ地が、それと併存することがある。
異なる深さに刻まれた谷の地形を思い描いてほしい。浅い谷に位置するものは、地図上のどこか別の場所により低い地点が存在していても、そこに無期限に閉じ込められたままになりうる。より深い谷が原理的に到達不可能なのではなく、現在の谷から出る経路が自由には利用できないのである。
場、粒子、そしてその下にある仕組み
ここで関与する基本的な対象は量子場であり、それらは宇宙に遍在している。その振る舞いは、磁場のような身近な古典場としばしば比較される。磁場は空間の各点で値を持ち、その強さは場所ごとに変化する。量子場も同様の論理に従うが、決定的な違いが一つある。その励起が粒子として現れるのだ。
そのため、場がどこに落ち着くかという問いは、抽象的な計算作業ではない。それはどのような種類の粒子が存在し、それらがどのように振る舞うかに直接関わってくる。
- 真の真空は、場が利用できる最も低エネルギーの最小値である。
- 偽の真空は局所的な最小値であり、場をその場に留めるには十分安定しているが、最も深い選択肢ではない。
- 場が相互作用する環境は、場がそれらの最小値間を移動するかどうかを左右しうる。
ヒッグス場がこの問いを具体的にする
著者らは、真空選択が重要となる最も身近な理由としてヒッグス場を挙げている。ヒッグス場がその真空状態でとる値は、既知の素粒子と四つの基本力のうち三つを記述する枠組みである標準模型において、粒子に質量を与える一助となる。また、低エネルギーにおける物理学の構造を定めるのにも寄与する。
標準模型に基づくいくつかの計算は、ヒッグス場が利用可能な最低エネルギー状態を占めていない可能性を提起している。代わりに、偽の真空に位置している可能性がある。非常に大きな場の値において、二つ目のより深い最小値が存在する可能性があると、同じ計算は示唆している。
この新しい研究は、ヒッグス場の運命について直接述べたものではない。場がどこに落ち着くかを決める一般的な仕組みに関する、より広範な調査であり、関連する物理を切り出すために簡略化されたモデルを用いている。
ロックダウン機構としてのデコヒーレンス
中心的な結果は、量子トンネル効果に関するものである。これは、場が二つの最小値間の障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーがなくても、一方の最小値から他方へ移行できる過程である。トンネル効果こそが、通常なら偽の真空に閉じ込められた場をより深い状態へと向かわせるものである。
この研究が示唆するのは、デコヒーレンスがそのトンネル効果を抑制しうるということだ。場が環境と絡み合い、量子コヒーレンスを失うにつれて、障壁を越えて場を運ぶはずの遷移が起こりにくくなる。事実上、場は到達した真空に固定されるのである。
これは真空の安定性についての考え方を再構成する。不安定性はしばしば、エネルギー地形のみの性質として扱われる。谷がどれほど深く、それらの間の障壁がどれほど高いか、という点である。新しい分析は、環境もその計算に加わるべきだと示唆している。なぜなら環境は、場がそもそも地形を探索できるかどうかを決めうるからだ。
膨張が設定を変える
この研究は明示的に宇宙論的であり、つまり背景は静的な箱ではなく、膨張している宇宙である。著者らは簡略化されたモデルを用いて、そうした条件下で場の真空の行き先を左右するものを探り、関連する力学が場自身のタイムスケールに対してゆっくり変化する断熱極限を含む、極限的な領域での振る舞いを調べた。
この簡略化は意図的なものである。膨張する宇宙における量子場の完全な取り扱いは極めて複雑であり、問題を削ぎ落とすことで研究者は結果を左右する要素を切り出せる。その代償は、結果が実宇宙の特定の場に対する精密な予測ではなく、仕組みへの指針となることである。
この結果が重要な理由
もしデコヒーレンスが本当にトンネル効果を妨げうるなら、その含意は外へ波及する。真空選択はもはや、どの最小値が最も深いかだけで決まるものではなくなる。同一のエネルギー地形を持つ宇宙の二つの領域が、それらの場が周囲からどれほど強くデコヒーレンスしたかに応じて、異なる真空に行き着く可能性がある。
これは、宇宙がどのようにして我々が観測する状態に落ち着いたかという宇宙論のより広い物語や、場が底に休息するのではなく偽の真空にとどまっているシナリオをどれほど真剣に受け止めるべきかに影響しうる。また、量子論と宇宙論の境界に位置する問いを鮮明にする。量子系はいつ、可能性の重ね合わせとして振る舞うのをやめ、単一の落ち着いた状態として振る舞い始めるのか、という問いである。
この研究はその問いに決着をつけるものではない。しかし、具体的な仕組み、すなわち量子トンネル効果にブレーキをかける環境デコヒーレンスと、環境を無視すべき厄介者ではなく、場がどの真空を我が家とするかを決める要因として位置づける枠組みを提示している。
この記事はPhys.orgの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on phys.org
