偽の真空

宇宙が真の真空状態ではなく偽の真空状態にある場合、不安定な偽の真空からより安定した真の真空への崩壊（偽の真空崩壊と呼ばれる）は劇的な結果をもたらす可能性がある。^{[ 5 ] [ 6 ]}その影響は、既存の基本力、素粒子、およびそれらを構成する構造の完全な停止から、いくつかの宇宙論的パラメータの微妙な変化まで、主に真の真空と偽の真空の間の電位差に依存する。偽の真空崩壊シナリオの中には、銀河、恒星^{[ 7 ] [ 8 ]}、さらには生物^{[ 9 ]}のような構造の存続と両立するものもあれば、バリオン物質の完全な破壊^{[ 10 ]}、あるいは宇宙の即時の重力崩壊^{[ 11 ]を伴うものもある。このより極端なケースでは、「バブル」が形成される可能性は非常に低い（つまり10,868}分の1 ^{[ 12 ]）}か、偽の真空崩壊は不可能かもしれない。^{[ 13 ]}

コールマンとデ・ルシアによる、これらの理論に単純な重力仮定を組み込もうとした論文では、これが自然を正確に表現しているとすれば、そのような場合の「泡の中」にある結果として生じる宇宙は極めて不安定で、ほぼ瞬時に崩壊するだろうと指摘している。

一般的に、重力は真空崩壊の確率を小さくします。エネルギー密度の差が最小の極端な場合、重力は偽の真空を安定させ、真空崩壊を完全に防ぐことさえあります。私たちはこれを理解していると考えています。真空が崩壊するには、全エネルギーがゼロの泡を作ることができなければなりません。重力がない場合、エネルギー密度の差がどれほど小さくても、これは問題ありません。泡を十分に大きくするだけで、体積/表面積比がその役割を果たします。しかし、重力がある場合、真の真空の負のエネルギー密度が泡内の幾何学を歪ませ、その結果、十分に小さいエネルギー密度では、十分な体積/表面積比を持つ泡は存在しません。泡内では、重力の影響はより劇的です。泡内の時空の幾何学は反ド・ジッター空間のものであり、対称群がO(4, 1)ではなくO(3, 2)である点を除いて、従来のド・ジッター空間によく似ています。この時空は特異点を持たないものの、小さな摂動に対して不安定であり、収縮するフリードマン宇宙の最終状態と同様の重力崩壊を必然的に引き起こす。内部宇宙の崩壊に必要な時間は、マイクロ秒以下である。

私たちが偽りの真空の中で生きている可能性は、決して喜ばしい考えではなかった。真空崩壊は究極の生態学的破局であり、新たな真空の中では自然界の新たな定数が存在する。真空崩壊の後には、私たちが知る生命だけでなく、私たちが知る化学も不可能になる。それでもなお、新たな真空が、たとえ私たちが知る生命ではないとしても、少なくとも喜びを知ることのできる何らかの構造を、時を経て維持してくれるかもしれないという可能性から、私たちは常に禁欲的な慰めを見出すことができた。しかし、その可能性は今や消え去ってしまった。

2つ目の特殊なケースは、宇宙定数がゼロになる空間への崩壊であり、これは私たちが宇宙の初期に崩壊した偽の真空の残骸の中に生きている場合に当てはまります。このケースは、前のケースほど興味深い物理学ではなく、修辞的な誇張の機会も少なくなります。ここでは、泡の内部が通常のミンコフスキー空間 となります。

2005年にNature誌に掲載された論文で、MITの物理学者マックス・テグマークとオックスフォード大学の哲学者ニック・ボストロムは、地球規模の壊滅的リスクに関する調査の一環として、真空状態の低下を含むすべての自然現象（つまり人為的ではない現象）による地球破壊の自然リスクを年間10⁹分の^{1未満と計算している。彼らは、}観測者選択効果により、真空崩壊による破壊の可能性を過小評価している可能性があると主張している。なぜなら、この現象に関する情報は、私たち自身も破壊された瞬間にしか届かないからである。これは、衝突、ガンマ線バースト、超新星、ハイパーノバなどのリスクとは対照的である。これらの現象の発生頻度は、適切な直接測定が可能だからである。^{[ 14 ]}

宇宙のインフレーションは、偽の真空が真の真空に崩壊した結果である可能性があるという理論がいくつかある。インフレーション自体は、ヒッグス場が偽の真空状態に閉じ込められた結果である可能性があり^{[ 15 ]}、ヒッグス自己結合λとそのβλ_関数はプランクスケールでゼロに非常に近い。^{[ 16 ] : 218}将来の電子・陽電子衝突型加速器は、そのような計算に必要なトップクォークの精密な測定を提供できるだろう。^{[ 16 ]}

カオス的インフレーション理論は、宇宙が偽の真空状態または真の真空状態のいずれかにある可能性があることを示唆している。アラン・グースは、宇宙インフレーションに関する彼の最初の提案^{[ 17 ]}で、インフレーションは上述のような量子力学的バブル核生成によって終了する可能性があると提案した。カオス的インフレーション理論の歴史を参照。均質で等方的な宇宙は、激しいトンネル効果の過程によって維持できないことがすぐに理解された。これにより、アンドレイ・リンデ^{[ 18 ]}と、独立してアンドレアス・アルブレヒトとポール・シュタインハルト^{[ 19 ]}は、トンネル効果は起こらず、インフレーションスカラー場が代わりに緩やかな傾斜でグラフ化される「新しいインフレーション」または「スローロールインフレーション」を提案した。

2014年、中国科学院武漢物理数学研究所の研究者らは、準安定な偽の真空の量子ゆらぎによって真の真空の膨張する泡が生じ、宇宙が何もない状態（空間も時間も物質もない状態）から自発的に創造された可能性があるという、既に存在していた考えを実際に数学的に証明した。^{[ 20 ]}

電弱相互作用の安定性基準は、1979年に理論上のヒッグス粒子と最も重いフェルミオンの質量の関数として初めて定式化されました^{[ 21 ]}。 1995年のトップクォークと2012年のヒッグス粒子の発見により、物理学者は実験に基づいて基準を検証することが可能になりました。そのため、2012年以降、電弱相互作用は準安定な基本力、別名「擬安定な基本力」の最も有望な候補と考えられています^{[ 16 ]} 。対応する偽真空仮説は、「電弱真空不安定性」または「ヒッグス真空不安定性」と呼ばれます^{[ 22 ]} 。現在の偽真空状態は${\displaystyle dS}$（ド・ジッター空間）一方、暫定的な真の真空は${\displaystyle AdS}$(アンチ・ド・シッタースペース)。^{[ 23 ] [ 24 ]}

図は、ヒッグス粒子とトップクォークの質量の不確実性の範囲を楕円形の線で示しています。下地の色は、与えられた質量の組み合わせに対して、電弱真空状態が安定している可能性が高いか、単に長寿命であるか、完全に不安定であるかを示しています。^{[ 25 ] [ 26 ]}「電弱真空崩壊」仮説は、ヒッグス粒子が宇宙を「終わらせる」と誤って報告されることがありました。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} 125.18±0.16 GeV/ c ^{2 [ 30 ]}ヒッグスボソンの質量は、安定-準安定境界の準安定側にある可能性が高い (2012 年に123.8–135.0 GeVと推定された。^{[ 16 ]} ) 決定的な答えを得るには、トップクォークの極質量のより精密な測定が必要であるが、^{[ 16 ]}ヒッグスボソンとトップクォークの質量の測定精度の向上により、2018 年現在、物理的な電弱真空が準安定状態にあるという主張がさらに強化された。^{[ 4 ]}それにもかかわらず、素粒子物理学の標準モデルを超える新しい物理学は、安定性ランドスケープの境界線を劇的に変化させ、以前の安定性と準安定性の基準を不正確にする可能性がある。^{[ 31 ] [ 32 ]} 2022年に行われた2016年のLHCランデータの再解析により、トップクォーク質量は171.77 ± 0.38 GeVとわずかに低い値が得られ、真空安定線に近いものの、依然として準安定領域にあることがわかった。^{[ 33 ] [ 34 ]} 

ヒッグス粒子とトップクォークの測定結果が、我々の宇宙がこのような偽の真空状態にあることを示唆する場合、この泡の影響は時空における発生源から宇宙全体にほぼ光速で伝播することになるだろう。^{[ 35 ]}標準模型における真空状態の寿命の直接計算では、それがより長いことがわかる。$10^{65}}$95%の信頼度で年数。^{[ 36 ]}

• 真空期待値が小さくなり、カシミール効果が減少し、陽子が不安定化する。^{[ 10 ]}
• より大きなニュートリノ質量で真空に崩壊する（数十億年前という比較的最近に起こった可能性がある）。^{[ 7 ]}
• 暗黒エネルギーのない真空に崩壊する。^{[ 8 ]}
• 有限温度での偽真空の崩壊^{[ 37 ]}は、超低温原子の強磁性超流体で初めて観測された。^{[ 38 ]}

一般的に、重力は偽の真空状態を安定させると考えられている^{[ 48 ]。}少なくとも、${\displaystyle dS}$（ド・ジッター空間）${\displaystyle AdS}$（反ド・ジッター空間）^{[ 49 ]}一方、宇宙ひも^{[ 50 ]}や磁気単極子を含むトポロジカル欠陥は崩壊確率を高める可能性がある。^{[ 10 ]}