En banbrytande kvantsimulering har gett nya insikter i fenomenet falskvakuumförfall, en process som kan innebära en katastrofal omdaning av universums grundläggande fysik. Genom att använda en kvantannealer med 5 564 kvantbitar (qubits) har en internationell forskargrupp kunnat observera hur ”sanna vakuumbubblor” bildas, växer och interagerar inom ett metastabilt tillstånd135. Denna simulering, utförd av forskare från University of Leeds, Forschungszentrum Jülich och Institute of Science and Technology Austria, representerar ett paradigmskifte inom kosmologisk forskning. Resultaten indikerar att vårt universum potentiellt befinner sig i ett tillfälligt energitillstånd som kan övergå till ett lägre energiläge – en process som skulle omdefiniera naturens lagar och materia på kosmisk skala269.
Teoretisk ramverk för falskt vakuum
Konceptuell förståelse av vakuumtillstånd
Enligt kvantfältteorin utgör vakuumtillståndet det lägsta energitillståndet för ett fysiskt system. Falskvakuumteorin föreslår dock att vårt universum kan befinna sig i ett metastabilt tillstånd – ett till synes stabilt men egentligen temporärt energiläge2812. Detta kan jämföras med en bergochdalbanas högsta punkt där vagnen trots tillfällig stabilitet i verkligheten befinner sig i ett ömtåligt läge369.
Transitionen från falskt till sant vakuum skulle innebära att lokala områden med lägre energitillstånd (sanna vakuumbubblor) spontant bildas och expanderar med ljushastighet147. Denna process, driven av kvanttunnelning, skulle medföra en oåterkallelig omdaning av fundamentala fysikaliska konstanter och krafter51112.
Historisk utveckling och teoretiska modeller
Hypotesen om falskt vakuum formulerades första gången på 1970-talet av Sidney Coleman och Frank De Luccia810. Deras arbete pekade på att kvantfältteorin tillåter existensen av flera lokala energiminima, där universums nuvarande tillstånd inte nödvändigtvis representerar det globala minimumet3912.
Senare teoretiska studier har visat att övergången mellan dessa tillstånd styrs av en balans mellan volymenergi (frienergi frigjord i bubbelns inre) och ytspänning (energikostnad för att bilda bubbelns vägg)149. Matematiska modeller förutsäger att större bubblor har lägre kritisk energi för att initiera kollaps, men dessa teorier har varit svåra att verifiera experimentellt7912.
Kvantsimulering av vakuumförfall
Experimentell uppställning och metodik
Forskningsgruppen använde en D-Wave kvantannealer integrerad i JUNIQ-infrastrukturen vid Jülich Supercomputing Center579. Systemets 5 564 supraledande fluxqubits arrangerades i en ringgeometri för att simulera en en-dimensionell version av Ising-modellen – en teoretisk beskrivning av ferromagnetiska system4912.
Genom att kontrollera longitudinella och transversella magnetfält kunde forskarna initiera ett metastabilt falskvakuumtillstånd och studera dess dynamik över mer än 1 000 kvanttidsenheter912. Mätningarna visade hur systemet övergick från ett homogent tillstånd till ett med flera interagerande vakuumbubblor357.
Nyckelobservationer från simuleringen
Simuleringen bekräftade flera teoretiska förutsägelser:
- Bubblornas storleksfördelning följer en skalinvariant skalningslag, beroende på energibalansen mellan volym och yta149.
- Mindre bubblor kan påverka tillväxthastigheten hos större bubblor genom komplexa interferensmönster5712.
- Systemet uppvisar icke-lokal korrelationer där bubblornas positioner och rörelser är kvantmekaniskt sammankopplade912.
En oväntad upptäckt var den långvariga koherensen i systemet, som kvarstod trots omgivningens dissipativa effekter912. Detta tyder på att kvantkoherens kan spela en avgörande roll även i storskaliga kosmologiska processer.
Dynamiken hos vakuumbubblor
Formationsmekanismer och tillväxtprocesser
Bubbelbildningen initieras genom kvantfluktuationer som överskrider en energibarriär4912. I simulationsresultaten observerades en kaskad av bubbelstorlekar där större bubblor tenderade att dominera över tid57. Denna dynamik kan beskrivas genom en modificerad Kibble-Zurek-mekanism, anpassad för första ordningens fasövergångar7912.
Energibalansen mellan bubbelns inre (volymenergi) och yta (ytspänning) visade sig vara avgörande för den kritiska bubbelstorleken19. För små bubblor dominerar ytspänningen, medan större bubblor drivs av den frigjorda volymenergin47.
Interaktionsmönster mellan bubblor
Simuleringarna avslöjade en komplex dans mellan bubblorna där:
- Mindre bubblor kan sammansmälta till större strukturer57
- Större bubblor kan absorbera mindre genom kvantkoherens912
- Bubblornas rörelser skapar interferensmönster som påverkar hela systemets dynamik912
Dessa observationer utmanar den traditionella bilden av bubbeltillväxt som isolerade händelser och pekar istället på ett kollektivt kvantbeteende79.
Kosmologiska implikationer
Koppling till tidigt universum
Forskarna noterar att liknande processer troligen ägde rum under kosmologisk inflation direkt efter Big Bang357. Simuleringarna ger därmed en unik möjlighet att studera fasövergångar som formade universums storskaliga struktur6911.
En intressant parallell dras till kvantfluktuationer som senare utvecklades till galaxer och stjärnsystem79. Den observerade bubbeldynamiken kan därmed erbjuda insikter om hur kvantmekaniska processer påverkade universums utveckling redan från början.
Multiversum och alternativa vakuumtillstånd
Resultaten stöder teorier om att olika vakuumtillstånd kan samexistera i ett multiversum138. Varje bubbel skulle i denna bild representera ett separat universum med egna fysikaliska lagar6912.
Kvantsimuleringar av denna typ kan i framtiden testa hypoteser om hur nya universum bildas genom ”barnuniversums”-generering i sanningsvakuumbubblor8912.
Kvantteknologins framtid inom fundamentalfysik
Bortom traditionella beräkningsmetoder
D-Wave-annealerns kapacitet att hantera storskaliga kvantsystem öppnar nya vägar för att studera icke-jämviktsfenomen som tidigare varit matematiskt ohanterliga459. Denna metodik gör det möjligt att undersöka tidsutvecklingen av komplexa system i realtid, något som är omöjligt med konventionella superdatorer7912.
Praktiska applikationer inom kvantberäkning
Insikterna från bubbelinteraktionerna har direkt relevans för felkorrigeringsmetoder i kvantdatorer579. Genom att analysera hur kvantkoherens bevaras trots komplexa interaktioner kan utvecklingen av mer robusta qubit-arkitekturer påskyndas912.
Ytterligare tillämpningar inkluderar:
- Optimering av materialegenskaper genom simulering av fasövergångar
- Utveckling av nya krypteringsmetoder baserade på kvantfältteori
- Energioptimering i komplexa system579
Slutsats och framtida riktningar
Denna banbrytande forskning demonstrerar kvantteknologins potential som verktyg för att utforska universums mest grundläggande processer. Genom att direkt observera falskvakuumförfall har vetenskapsmännen inte bara bekräftat viktiga teoretiska modeller, utan även öppnat nya forskningsfält.
Framtida studier planerar att utöka simuleringarna till två- och tredimensionella system samt undersöka effekterna av olika typer av kvantfluktuationer912. Parallellt med detta pågår arbete med att anpassa metodiken för att studera andra kosmologiska fenomen som mörk energi och kvantgravitation579.
Den kombinerade framgången inom både fundamentalfysik och kvantteknik understryker vikten av tvärvetenskapligt samarbete. Som Professor Zlatko Papic konstaterar: ”Dessa verktyg erbjuder oss ett unikt bordlaboratorium för att utforska universums dynamik på ett sätt som tidigare var otänkbart”579.
Citations:
- https://www.drivingeco.com/en/maquina-cuantica-podria-revelar-destino-final-universo/
- https://sciencereader.com/simulating-the-universes-potential-collapse-into-true-vacuum/
- https://universemagazine.com/en/quantum-prediction-the-universes-death-will-occur-at-the-transition-to-the-true-vacuum/
- https://phys.org/news/2025-02-quantum-machine-simulates-universe-potential.html
- https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250204132418.htm
- https://charmingscience.com/quantum-machine-could-predict-the-ultimate-fate-of-the-universe/
- https://www.thebrighterside.news/post/groundbreaking-quantum-simulation-reveals-a-cataclysmic-end-to-the-universe/
- https://www.sciencealert.com/quantum-machine-could-predict-the-ultimate-fate-of-the-universe
- https://www.nature.com/articles/s41567-024-02765-w
- https://www.yahoo.com/news/quantum-machine-could-predict-ultimate-034534570.html
- https://cdotimes.com/2025/02/04/how-quantum-bubbles-could-trigger-the-end-of-everything-study-finds/
- https://www.popularmechanics.com/science/a63758162/false-vacuum-decay-quantum-annealer/
- https://arxiv.org/abs/2305.13780
- https://www.semanticscholar.org/paper/d1fc813590291354af402d6338e22bc343ccfb50
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37831552/
- https://www.semanticscholar.org/paper/19a88dcba1780f35fb5654a5ff3ad20c077449e3
- https://www.semanticscholar.org/paper/1556db02d51fdf9395502b7ec197a01088cfbeb7
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36578255/
- https://www.semanticscholar.org/paper/bb495bbb752344f6fdca22d2f0bbfd45c6a2ea7b
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39391288/
- https://arxiv.org/abs/1906.03341
- https://arxiv.org/abs/2103.09035
- https://www.leeds.ac.uk/research-32/news/article/5724/quantum-machine-offers-peek-into-dance-of-cosmic-bubbles
- https://lifeboat.com/blog/2025/02/quantum-machine-could-predict-the-ultimate-fate-of-the-universe
- https://www.semanticscholar.org/paper/282646b970b67e6f8f5416c7da18ebe47aa550f6
- https://www.semanticscholar.org/paper/2ddf224da0c916ec256f8f7b3bfc59d66a315694
- https://arxiv.org/abs/2411.12565
- https://arxiv.org/abs/2306.01067
- https://arxiv.org/abs/2207.10965
- https://arxiv.org/abs/2204.11867
- https://arxiv.org/abs/2107.10176
- https://arxiv.org/abs/2404.12360
- https://arxiv.org/abs/2305.05225
- https://arxiv.org/abs/2310.04206
- https://www.scientificamerican.com/article/quantum-simulation-shows-how-universe-destroying-bubbles-could-grow/
- https://phys.org/news/2024-01-phenomenon-false-vacuum-decay.html
- https://www.researchgate.net/publication/388687590_Stirring_the_false_vacuum_via_interacting_quantized_bubbles_on_a_5564-qubit_quantum_annealer
- https://www.semanticscholar.org/paper/d8b89fc4026ab1d8cf20c4db0d0515aaf424404c
- https://arxiv.org/abs/2501.00966
- https://www.semanticscholar.org/paper/519427653622fdaec7ca8eb4c8bd3a377c320786
- https://www.semanticscholar.org/paper/bd195076951558f3b43b883da7c28b375311ae39
- https://www.semanticscholar.org/paper/d8b97802f84f408f7a237f835580d0342c2d4123
- https://arxiv.org/abs/1803.04605
- https://arxiv.org/abs/1711.03499
- https://www.researchgate.net/publication/384191997_Quantum_Uncertainty_and_the_Halting_Problem_How_Quantum_Mechanics_May_Prevent_the_Universe_from_Halting
- https://quantumzeitgeist.com/quantum-cosmology-the-quantum-universe/
- https://www.yahoo.com/news/quantum-search-times-source-finds-053845538.html
