宇宙の真空は予想よりも早く消滅する

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

真空崩壊は、私たちが知る宇宙の終焉をもたらす可能性のあるプロセスですが、予想よりも1万倍も早く起こる可能性があります。幸いなことに、それはまだ非常に長い時間を要するでしょう。

物理学者が「真空」という言葉を使うとき、それはまるで何もない空間を指しているように聞こえます。ある意味では、まさにその通りです。より具体的には、制御盤の設定のように、一連のデフォルト設定を指します。空間を満たす量子場がこれらのデフォルト値に保たれているとき、空間は空であるとみなされます。設定を少し調整すると粒子が生成され、電磁場を少し調整すると光子が生成されます。一方、大きな調整は、全く新しいデフォルト設定と考えるのが適切です。それらは、異なる特性を持つ、全く異なる空の空間の定義を作り出すのです。

ある量子場は、デフォルト値が変化できるという点で特別です。ヒッグス場と呼ばれるこの場は、電子やクォークといった多くの基本粒子の質量を制御します。物理学者が発見した他のどの量子場とも異なり、ヒッグス場のデフォルト値はゼロ以上です。ヒッグス場の値を上げたり下げたりすると、電子やその他の粒子の質量が増減します。もしヒッグス場の設定がゼロであれば、これらの粒子は質量がなくなります。

量子力学がなければ、私たちは永遠にゼロではないデフォルト値に留まることができたでしょう。量子場は「トンネル効果」を起こすことができ、たとえ高エネルギーの中間値を通過するのに十分なエネルギーがなくても、より低いエネルギーの新しい値へとジャンプすることができます。これは、固体の壁をトンネルで通り抜けるのと似た効果です。

これが起こるには、トンネル効果で到達できるより低いエネルギー状態が必要です。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を建設する前、物理学者たちはヒッグス場の現在の状態が最低レベルであると考えていました。しかし、その考えは今や変わりました。

ヒッグス場の異なる設定に必要なエネルギーを表す曲線は、つばを上向きにしたソンブレロに似ていることが常に知られていました。現在のヒッグス場の設定は、つばの下部に置かれたボールとして描くことができます。

しかし、微妙な量子補正によって曲線の形状が変化することがあります。量子場は互いにエネルギーをやり取りします。例えば、電子と電磁場の間の量子相互作用は原子のエネルギー準位を変化させます。この効果は1940年代に発見されました。

ヒッグス場の場合、ソンブレロのつばの曲率は、ヒッグス場の効果を伝える素粒子であるヒッグス粒子の質量によって決まります。ヒッグス粒子は2012年に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で発見されました。曲線の形状をさらに補正するのは、ヒッグス粒子と強く相互作用する粒子、つまり既知の最も重い素粒子であるトップクォークのような高質量粒子です。物理学者は現在、ヒッグス粒子の質量とトップクォークの質量を比較することで、ソンブレロは再び下がる可能性が高いと考えています。ヒッグス場をさらに高く設定すると、より低いエネルギー状態になります。

その場合、ヒッグス場は最終的にその状態、つまり「崩壊」へとトンネルを掘るはずです。この崩壊は一箇所で始まり、球状の泡となって光速で成長し、宇宙を変容させます。基本粒子ははるかに重くなり、他の力よりも重力によって強く引き寄せられるようになります。原子は崩壊します。

しかし、すぐにヒッグス粒子のより高い値に到達することはないだろう。物理学者は真空崩壊の可能性を様々な方法で推定している。最も直接的な方法は、場をある値から別の値に変化させるために必要な様々な変換（量子力学では一時的に許容されるエネルギー保存則に反する変換）を記録し、各シナリオがエネルギー保存則などの規則にどの程度違反しているかに応じて重み付けを行う。これらの推定によると、1立方ギガパーセクの空間では、10の⁷⁹⁴乗年、つまり1の後に794個の0が続く年に一度真空崩壊が起こることになる。これは途方もない期間だ。ビッグバンからまだ10の10乗年しか経っていない^。

最近、スロベニアの物理学者グループが計算に小さな誤りを発見したと主張しました。その誤りによって、私たちが知っている宇宙の終わりが1 ⁰⁷⁹⁴年ではなく¹⁰⁷⁹⁰年に早まることになります。1万倍の変化は一見大きく見えるかもしれませんが、計算の他の部分から生じる不確実性に比べればはるかに小さいものです。最も重要なのは、これらの不確実性のどれも、私たちと真空崩壊の恐怖の間に横たわる悠久の歳月を切り捨てるほど大きなものではないということです。

オリジナルストーリーは 、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。