Giovedì, 24 Settembre, 2026
Cosmic lockdown: come l’ambiente può isolare i campi quantistici
Il vuoto non è sempre così vuoto. «Quando parliamo di vuoto in cosmologia, non intendiamo qualcosa di completamente privo di energia», spiega David Wands, professore presso l’Institute of Cosmology & Gravitation dell’Università di Portsmouth. «Un vuoto è piuttosto uno stato in cui un campo si trova in un minimo della propria energia. Il vero vuoto è il minimo più basso possibile, ma possono esistere anche minimi locali, che chiamiamo falsi vuoti».
Possiamo immaginarlo come un paesaggio formato da valli di diversa profondità: il vero vuoto è la valle più profonda, mentre le altre corrispondono ai falsi vuoti. Qualcosa che si trovi in una di queste depressioni può rimanervi “intrappolato”, anche se da qualche altra parte esiste uno stato a energia più bassa.
È esattamente ciò che può accadere ai campi quantistici, oggetti fisici fondamentali che permeano l’Universo. Un campo classico è qualcosa che possiede un valore in ogni punto dello spazio, come un campo magnetico, la cui intensità varia da una posizione all’altra. I campi quantistici si comportano in modo analogo, e le loro eccitazioni si manifestano come particelle.
In un nuovo studio pubblicato su JCAP, Robson Christie, Jaewoo Joo, Greg Kaplanek, Vincent Vennin e David Wands hanno utilizzato un modello semplificato per studiare che cosa determina in quale vuoto possa finire un campo in un Universo in espansione.
Il caso del campo di Higgs
Per capire perché questa domanda sia importante, gli stessi autori richiamano il caso del campo di Higgs. Il suo valore nel vuoto contribuisce a conferire massa alle particelle del Modello Standard — la teoria che descrive le particelle elementari note e tre delle quattro forze fondamentali — e contribuisce a determinare la struttura della fisica alle basse energie.
Secondo alcuni calcoli basati sul Modello Standard, è possibile che il campo di Higgs non si trovi nello stato di energia più basso possibile, ma in un falso vuoto, mentre a valori molto elevati del campo potrebbe esistere un secondo minimo, più profondo.
Lo studio non riguarda direttamente il campo di Higgs, ma lo utilizza come esempio concreto di ciò che può accadere quando un campo resta intrappolato in un minimo locale, nonostante sia disponibile uno stato a energia più bassa.
«In linea di principio, una transizione verso quel minimo più profondo porterebbe l’Universo in uno stato radicalmente diverso, nel quale la struttura della materia e le forze che la governano sarebbero alterate», spiega Robson Christie, ricercatore presso la School of Mathematics and Physics dell’Università di Portsmouth e primo autore dello studio.
Una simile transizione può essere resa possibile da un fenomeno quantistico. Torniamo all’immagine dei vuoti come valli separate da montagne. Nella fisica classica, un sistema che si trova sul fondo della valle meno profonda può raggiungere quella più profonda solo se dispone di energia sufficiente per superare la montagna che le separa. Nella meccanica quantistica, invece, lo stato del sistema può estendersi oltre la barriera, lasciando una piccola probabilità che il sistema compaia dall’altra parte: è il cosiddetto tunnelling quantistico.
Nessun campo è mai davvero isolato
Nel loro lavoro, Christie e colleghi hanno costruito un modello semplificato per capire in che modo l’ambiente influenzi l’evoluzione di un campo.
Molti calcoli del tunnelling trattano il campo come se fosse completamente isolato. «Sappiamo però che un isolamento perfetto è un’idealizzazione», spiega Greg Kaplanek, ricercatore alla Syracuse University, nello Stato di New York. Nella realtà, i campi interagiscono continuamente con altri campi e con ciò che li circonda — in altre parole, con il loro ambiente. «Pensiamo, per esempio, ai computer quantistici: facciamo enormi sforzi per proteggere dall’ambiente l’informazione quantistica immagazzinata in queste macchine, perché anche interazioni molto deboli possono modificare rapidamente lo stato quantistico. Qualcosa di simile accade in cosmologia: un campo non è mai davvero solo».
Le interazioni con l’ambiente producono un fenomeno noto come decoerenza. Un sistema quantistico può trovarsi in una sovrapposizione di possibilità diverse: usando l’analogia di una moneta, non è semplicemente testa o croce, ma si trova in uno stato quantistico che comprende entrambe le possibilità allo stesso tempo. L’interazione con l’ambiente rende sempre più difficile mantenere questa sovrapposizione, facendo sì che il sistema si comporti sempre più come un normale sistema classico.
Nel modello degli autori, l’ambiente è rappresentato da altri campi che interagiscono con il campo principale. Quest’ultimo può trovarsi inizialmente anche in una sovrapposizione quantistica che coinvolge entrambi i vuoti. Una delle sorprese dello studio, tuttavia, è che l’ambiente non sembra svolgere un ruolo decisivo nella scelta iniziale del vuoto.
Campi leggeri e campi pesanti
Ciò che conta di più è se il campo sia “leggero” o “pesante” rispetto alla scala di Hubble, cioè rispetto al tasso con cui l’Universo si espande.
«Un campo che è pesante rispetto alla scala di Hubble può adattarsi rapidamente ai cambiamenti mentre l’Universo si espande», spiega Christie, «e in questo caso è altamente probabile che si sposti verso il vero vuoto, il minimo di energia più profondo».
Per i campi più leggeri accade qualcosa di diverso. «Se l’espansione è troppo rapida rispetto alla dinamica del campo, il sistema non riesce a stare al passo con i cambiamenti», continua Christie. «In questo caso può rimanere una probabilità significativa che il campo finisca anche nel falso vuoto».
In altre parole, la scelta iniziale tra vero e falso vuoto è influenzata soprattutto dal rapporto tra la dinamica propria del campo e la velocità dell’espansione cosmica.
Cosmic lockdown
Immaginiamo quindi un campo leggero che sia finito in un falso vuoto. Che cosa succede a quel punto?
In un sistema quantistico perfettamente isolato, il tunnelling verso l’altro minimo sarebbe ancora possibile. Ma nel modello degli autori, l’interazione con l’ambiente produce decoerenza e distrugge le proprietà quantistiche necessarie a mantenere una sovrapposizione coerente tra i due vuoti.
«L’aspetto interessante è che non è principalmente l’ambiente a decidere dove finirà il campo», spiega Kaplanek. «Una volta che il campo si è localizzato in uno dei due minimi, però, la decoerenza tende a mantenerlo lì. Il tunnelling verso l’altro vuoto viene fortemente soppresso».
È questo il fenomeno che gli autori chiamano “cosmic lockdown”: una sorta di blocco che stabilizza il campo nel vuoto che ha raggiunto. Gli autori lo interpretano come una manifestazione dell’effetto Zeno quantistico: in determinate condizioni, un sistema quantistico che viene monitorato continuamente può avere molta più difficoltà a passare da uno stato a un altro.
Naturalmente, nel modello nessuno sta letteralmente osservando il campo. «Non serve un osservatore cosciente», spiega Kaplanek. «L’ambiente raccoglie continuamente informazioni sullo stato del sistema. Questo processo distrugge la coerenza tra i due possibili vuoti e rende molto più difficile il tunnelling da uno all’altro».
Una buona notizia per il nostro Universo?
Il lavoro resta basato su un modello semplificato e non dimostra che il nostro attuale vuoto di Higgs sia protetto dal cosmic lockdown. Il risultato suggerisce però un principio interessante: le interazioni con l’ambiente possono rendere più stabile un falso vuoto, sopprimendo il tunnelling verso un altro stato.
«Se un meccanismo di questo tipo fosse rilevante in situazioni cosmologiche più realistiche, potrebbe contribuire a stabilizzare un campo che si trova già in un falso vuoto», conclude Wands. «Ma per capire fino a che punto questo possa essere applicato al campo di Higgs saranno necessari modelli più realistici».
Se il nostro campo di Higgs si trova davvero in un falso vuoto, allora il cosmic lockdown indica almeno una possibilità rassicurante: l’interazione con l’ambiente circostante potrebbe contribuire a rendere ancora più difficile una transizione verso uno stato radicalmente diverso.