Un team internazionale di fisici ha condotto una simulazione che potrebbe gettare nuova luce su un fenomeno sfuggente che potrebbe determinare il destino ultimo dell’Universo: il decadimento del falso vuoto.
Simulazione svela i segreti del falso vuoto: il destino dell’Universo in bilico?
Circa 50 anni fa, una ricerca pionieristica sulla teoria quantistica dei campi propose che l’universo potesse essere intrappolato in uno stato di falso vuoto. Immaginate una biglia in bilico sulla cima di una collina: apparentemente stabile, ma in realtà pronta a cadere in una valle più profonda. Allo stesso modo, il falso vuoto è uno stato dell’Universo che sembra stabile, ma che in realtà potrebbe essere sul punto di passare a uno stato di vuoto reale ancora più stabile, un processo che potrebbe innescare cambiamenti catastrofici nella struttura stessa del Cosmo.
La collaborazione internazionale, guidata dal professor Zlatko Papic dell’Università di Leeds e dal dott. Jaka Vodeb del Forschungszentrum Jülich in Germania, ha condotto una simulazione avanzata per studiare il fenomeno. Questo processo è legato alle origini dell’universo e al comportamento delle particelle alle scale più piccole, e la sua comprensione potrebbe fornire indizi fondamentali sulla natura stessa della realtà.
“Stiamo parlando di un processo mediante il quale l’Universo cambierebbe completamente la sua struttura“, ha affermato il professor Papic: “Le costanti fondamentali potrebbero cambiare istantaneamente e il mondo come lo conosciamo crollerebbe come un castello di carte.”
Immaginate se le leggi della fisica che governano il nostro mondo cambiassero improvvisamente: atomi che si disintegrano, forze che svaniscono, l’Universo stesso che si trasforma in qualcosa di completamente diverso. Questo è ciò che potrebbe accadere se il falso vuoto dovesse decadere.
Gli esperti concordano sul fatto che prevedere la cronologia di questo evento sia estremamente difficile. È probabile che si verifichi in un periodo astronomicamente lungo, potenzialmente di miliardi di anni. Anche se i tempi sono incerti, la possibilità di un cambiamento così radicale nell’Universo è un tema affascinante e inquietante. I ricercatori affermano che questo lavoro segna un significativo passo avanti nella comprensione della dinamica quantistica, aprendo interessanti possibilità per il futuro dell’informatica quantistica e il suo potenziale per lo studio di alcuni dei problemi più complessi della fisica fondamentale dell’Universo.
La ricerca condotta da un team internazionale di scienziati, tra cui ricercatori dell’Università di Leeds, del Forschungszentrum Jülich e dell’Istituto Austriaco di Scienza e Tecnologia (ISTA), si è concentrata su un enigma fondamentale della cosmologia: il meccanismo alla base del decadimento del falso vuoto.
Una simulazione quantistica per svelare i segreti dell’Universo
Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno utilizzato un quantum annealer da 5.564 qubit, una macchina quantistica progettata da D-Wave Quantum Inc. Questa tecnologia innovativa sfrutta le proprietà uniche dei sistemi quantistici per risolvere problemi di ottimizzazione complessi, ovvero problemi che richiedono di trovare la soluzione migliore tra un vasto insieme di possibilità.
L’utilizzo di un quantum annealer ha permesso ai ricercatori di simulare il decadimento del falso vuoto in un modo mai tentato prima. Questa simulazione offre nuove prospettive sulla comprensione di questo fenomeno sfuggente, che potrebbe avere implicazioni profonde per il destino ultimo dell’Universo.
Immaginate il Cosmo come un paesaggio montuoso, con diverse valli a diverse altitudini. Il falso vuoto è come una biglia in bilico su una cima: apparentemente stabile, ma pronta a cadere in una valle più profonda, lo stato di vuoto reale. Queste “valli” sono rappresentate da bolle quantistiche, simili a quelle che si formano nel vapore acqueo raffreddato sotto il suo punto di rugiada. La formazione, l’interazione e la diffusione di queste bolle sono cruciali per innescarne il decadimento, un processo che potrebbe portare a cambiamenti catastrofici nella struttura dell’Universo.
“Questo fenomeno è paragonabile a delle montagne russe che presentano diverse valli lungo il loro percorso, ma un solo ‘vero’ stato più basso, a livello del suolo“, ha spiegato il dott. Jean-Yves Desaules, ricercatore presso l’ISTA e dottorato di ricerca conseguito presso l’Università di Leeds. Se questa analogia fosse corretta, la meccanica quantistica permetterebbe all’universo di raggiungere prima o poi lo stato di energia più bassa, ovvero il “vero” vuoto. Questo processo, però, darebbe luogo a un evento catastrofico su scala globale.
Grazie all’utilizzo di un quantum annealer, i ricercatori hanno potuto osservare l’intricata “danza” di queste bolle quantistiche, studiandone la formazione, la crescita e le interazioni in tempo reale. Queste osservazioni hanno rivelato che le dinamiche delle bolle non sono eventi isolati, ma implicano interazioni complesse, tra cui il modo in cui bolle più piccole possono influenzare quelle più grandi.
“Sfruttando le capacità di un grande apparecchio di ricottura quantistica, il nostro team ha aperto le porte allo studio di sistemi quantistici non in equilibrio e transizioni di fase altrimenti difficili da esplorare con i metodi di calcolo tradizionali“, ha affermato il dott. Vodeb, ricercatore presso Jülich.
Comprendere il decadimento del falso vuoto è una delle sfide più grandi della fisica teorica. Per decenni, i fisici si sono interrogati sulla possibilità di questo fenomeno e sulla sua tempistica, ma la complessità matematica della teoria quantistica dei campi ha reso difficile trovare risposte concrete. Il team di ricerca ha adottato un approccio innovativo per affrontare questo problema. Invece di cercare di risolvere equazioni complesse, si sono concentrati su problemi più semplici, ma altrettanto significativi, che possono essere studiati con le nuove tecnologie disponibili.
Questa scelta si è rivelata vincente: il team è riuscito a simulare e osservare direttamente le dinamiche del decadimento del falso vuoto su una scala senza precedenti. Si pensa che questa sia una delle prime volte in cui gli scienziati sono riusciti a compiere un’impresa del genere. L’esperimento ha coinvolto l’utilizzo di 5.564 qubit, i mattoni fondamentali dell’informatica quantistica, disposti in configurazioni specifiche che rappresentano il falso vuoto. Controllando attentamente il sistema, i ricercatori ne hanno innescato la transizione al vuoto vero, osservando la formazione di bolle quantistiche.
La macchina D-Wave, integrata in JUNIQ, la Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing presso il Jülich Supercomputing Center, rappresenta uno strumento all’avanguardia per la ricerca scientifica e industriale. JUNIQ offre l’accesso a dispositivi di calcolo quantistico di ultima generazione, aprendo nuove frontiere nella risoluzione di problemi complessi.
Il professor Papic ha sottolineato l’importanza di questa infrastruttura: “Stiamo cercando di sviluppare sistemi in cui possiamo effettuare esperimenti semplici per studiare questo genere di cose. Le scale temporali per questi processi che avvengono nell’Universo sono enormi, ma usare l’annealer ci consente di osservarli in tempo reale, così possiamo effettivamente vedere cosa sta succedendo”.
Questo lavoro, che fonde la simulazione quantistica all’avanguardia con la fisica teorica più profonda, dimostra come siamo vicini alla soluzione di alcuni dei più grandi misteri dell’Universo. I risultati ottenuti hanno indicato che per comprendere l’origine e il destino del Cosmo non è sempre necessario ricorrere a esperimenti complessi e costosi in strutture dedicate alle alte energie, come il Large Hadron Collider del CERN.
La ricerca sul decadimento del falso vuoto, condotta da un team internazionale di scienziati, non è solo un’impresa teorica di grande importanza per la cosmologia, ma apre anche nuove prospettive per il futuro del calcolo quantistico e di altre tecnologie.
I ricercatori sostengono che le loro scoperte evidenziano il potenziale dei forni di ricottura quantistica nel risolvere problemi pratici che vanno ben oltre la fisica teorica. Comprendere le interazioni delle bolle nel falso vuoto potrebbe portare a miglioramenti significativi nel modo in cui i sistemi quantistici gestiscono gli errori ed eseguono calcoli complessi, contribuendo a rendere il calcolo quantistico più efficiente e affidabile.
Conclusioni
“Queste scoperte non solo ampliano i confini della conoscenza scientifica, ma aprono anche la strada a tecnologie future che potrebbero rivoluzionare campi quali la crittografia, la scienza dei materiali e l’informatica a basso consumo energetico“, ha concluso il dott. Vodeb.
Il dott. Kedar Pandya, direttore esecutivo per la strategia dell’EPSRC, ha sottolineato l’importanza della ricerca guidata dalla curiosità: “La ricerca guidata dalla curiosità è una parte fondamentale del lavoro supportato dall’EPSRC. Questo progetto è una grande dimostrazione di tale lavoro, con idee provenienti dalla fisica quantistica fondamentale che si uniscono ai progressi tecnologici nell’informatica quantistica per aiutare a rispondere a domande profonde sulla natura dell’Universo“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.
