Kwantowy bąbel może zniszczyć Wszechświat. Należy iść na plażę
Większość ludzi nigdy nie słyszała o rozpadzie próżni, ale gdyby do niego doszło, byłaby to największa katastrofa naturalna we Wszechświecie. Oczywiście, planetoida może zniszczyć miasto lub wymazać życie na Ziemi. Supernowa może usunąć warstwę ozonową. Gdyby podmuch energii z wirującej czarnej dziury uderzył w naszą planetę, mógłby rozerwać cały Układ Słoneczny. Choć katastrofy te są dramatyczne w skutkach, nadal pozostawiłyby po sobie skały, gaz i pył. Z czasem materia ta mogłaby się ponownie połączyć, tworząc nowe gwiazdy i planety, a może nawet i życie.
Rozpad próżni to coś innego. Ten kataklizm byłby wywołany przez zmianę w polu Higgsa – polu kwantowym, które przenika całą przestrzeń. Wydarzyłby się w wyniku czystego przypadku, tworząc bańkę, która rozszerzałaby się niemal z prędkością światła, przekształcając wszystko na swojej drodze. Wewnątrz tej bańki prawa fizyki, które uważamy za oczywiste, uległyby zmianie, co spowodowałoby, że materia, jaką znamy (a w konsekwencji i życie), nie mogłaby istnieć.
Zgodnie z najlepszymi oszacowaniami fizyków, rozpad próżni jest niezwykle mało prawdopodobny, a prawdopodobieństwo, że nastąpi tak blisko naszej części Wszechświata, by mieć na nas wpływ, jest wręcz niewyobrażalnie małe. Niemniej nie jest ono zerowe, a niektóre z najnowszych szacunków sugerują, że może być ono nie aż tak małe, jak zwykliśmy sądzić. Jednakże możliwość pojawienia się apokaliptycznej bańki kwantowej nie powinna powodować u nikogo problemów ze snem.
Mimo to naukowcy starają się zrozumieć, jak i dlaczego taki scenariusz może się zrealizować. Odpowiedzi na te pytania nie tylko ujawniają pewne fascynujące aspekty świata kwantowego – mogą one również odwrócić problem: zamiast martwić się zagrożeniem, jakie stanowi bańka próżniowa, można zastanawiać się, czy fakt, że Wszechświat tak długo bez niej przetrwał, nie mówi nam czegoś o najgłębszych nierozwiązanych problemach fizyki.
Słowo „próżnia” przywołuje na myśl pustą przestrzeń i takie rozumienie nie jest zbyt odległe od jego sensu w wyrażeniu „rozpad próżni”. Jednak dla fizyków sama „pustka” jest względna.
Wszystkie obiekty, które dobrze znamy – każde zwierzę, roślina i minerał – są zbudowane z atomów, a te atomy są z kolei stworzone ze zmarszczek w polach kwantowych. Każde pole przypomina pewien rodzaj uniwersalnego panelu sterowania. Gdybyśmy na panelu sterowania mogli poruszyć przełącznikiem elektronu, zobaczylibyśmy, że gdzieś pojawia się elektron. Większość z tych przełączników ma domyślną wartość zero: dla przykładu, w przeważającej liczbie miejsc elektronów nie ma. Te wartości domyślne są sztywne – aby przesunąć przełącznik z jego domyślnej pozycji, potrzebna jest energia. To, ile energii potrzeba, określa słynne równanie Alberta Einsteina E = mc2, które definiuje związek między energią a masą: im masywniejsza cząstka, tym bardziej sztywna jest domyślna pozycja przełącznika jej pola.
Można by pomyśleć, że w prawdziwie pustej przestrzeni wszystkie te przełączniki są ustawione na zero. Jest to prawdą w przypadku większości pól kwantowych, ale niektóre z nich mają inne ustawienia domyślne. Jednym z takich przypadków jest pole kwantowe postulowane w 1964 roku przez kilku fizyków, w tym Brytyjczyka Petera Higgsa, od nazwiska którego zostało później nazwane. Spróbujmy ustawić pole Higgsa na zero, a będzie stawiać opór. Wszechświat „chce” mieć w sobie pewną ilość higgsowatości, która to ilość domyślnie nazywana jest wartością oczekiwaną próżni. To właśnie ta ilość pola Higgsa, a nie zero, znajduje się w próżni pustej przestrzeni.
Wypchnięcie pola Higgsa z domyślnego ustawienia jest dosyć trudne. Naukowcom to się w końcu powiodło w 2012 roku, kiedy w eksperymencie przeprowadzonym w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider; LHC) w pobliżu Genewy udało się zmierzyć najmniejszą, najkrótszą możliwą zmianę w polu Higgsa. Tak jak pstrykanie przełącznikiem elektronowym powoduje powstanie elektronu, tak pstrykanie przełącznikiem Higgsa powoduje powstanie cząstki zwanej bozonem Higgsa. Cząstki te po ich utworzeniu szybko znikają, a przełącznik Higgsa powraca do swojego domyślnego stanu, jednocześnie przestawiając inne, łatwiejsze do zmiany ustawienia przełączniki, tworząc cząstki takie, jak elektrony czy fotony. Naukowcom z LHC udało się jednak stworzyć tak dużą liczbę bozonów Higgsa, aby można było je zarejestrować i udowodnić istnienie pola Higgsa.
Pole Higgsa jest szczególne, ponieważ kontroluje masę wszystkich innych cząstek. W efekcie służy ono jako rodzaj głównego przełącznika, określającego, jak sztywne są domyślne ustawienia wszystkich innych przełączników. Gdybyśmy mogli chwycić przełącznik Higgsa i przeciągnąć go w kierunku zera, przekonalibyśmy się, że wszystkie inne przełączniki stałyby się znacznie łatwiejsze do przesunięcia. Innymi słowy, niższa wartość Higgsa oznaczałaby, że potrzeba mniej energii, aby stworzyć elektron lub kwark.
Fizycy uważają, że zadanie przesunięcia pola Higgsa z jego domyślnej wartości przypomina trochę toczenie głazu pod górę. Jeśli głaz spoczywa na dnie doliny, można spróbować popchnąć go w górę, ale jeśli go puścimy, po prostu stoczy się w dół.
Aby teoria higgsa działała, pole Higgsa musi mieć ustawienie, które trudno zmienić, w pobliżu dna metaforycznej doliny. Teoria nie mówi jednak zbyt wiele o świecie poza doliną.
Od lat 70. fizycy spekulują, że może gdzieś znajdować się dolina z niżej położonym dnem, odpowiadającym jeszcze wyższemu ustawieniu pola Higgsa. Jeśli taka dolina faktycznie istnieje, to ustawienie to byłoby prawdziwym ustawieniem domyślnym, a nasze byłoby jedynie „fałszywą próżnią” – tymczasową wartością, która nie jest tą, jaką pole Higgsa naturalnie chciałoby przyjmować. W prawdziwej próżni pole Higgsa byłoby silniejsze, co sprawiłoby, że inne fundamentalne cząstki, takie jak elektrony, byłyby znacznie masywniejsze i trudniejsze do stworzenia, co zaburzałoby równowagę, która pozwala istnieć atomom.
Mogłoby się wydawać, że dotarcie do drugiej doliny jest prawie niemożliwe. Najpierw musielibyśmy wtoczyć nasz metaforyczny głaz na wzgórze, z którego stoczyłby się po drugiej stronie do głębszej doliny. Ale fizyka kwantowa może sprawić, że niemożliwe staje się możliwe. Dzięki efektowi zwanemu tunelowaniem kwantowym pole może losowo przeskoczyć z ustawienia o wyższej energii do ustawienia o niższej energii, nawet jeśli brakuje mu energii, aby wspiąć się na wzgórze pomiędzy nimi. To tak, jakby przejechać przez tunel we wzgórzu, zamiast podróżować po jego grzbiecie. Gdyby tak się stało z polem Higgsa, skończyłaby się nasza fałszywa próżnia i wyłoniłaby się próżnia prawdziwa.
Fizycy nie są do końca pewni, co by się stało, gdyby doszło do takiej zmiany, zwanej rozpadem próżni. Przewiduje się, że rozpoczęłaby się ona na niewielkim obszarze, tworząc bąbel, w którym pole Higgsa znajdowałoby się na wyższym poziomie, a wszystkie inne cząstki miałyby znacznie większą masę. Jeśli bąbel byłby relatywnie mały, zniknąłby, ściśnięty siłą podobną do napięcia powierzchniowego w kropli wody. Jeśli jednak bąbel byłby wystarczająco duży, ogromna różnica energii między wnętrzem a zewnętrzem sprawiłaby, że zacząłby rosnąć. W pustej przestrzeni rozszerzałby się z prędkością światła, zmieniając ustawienie pola Higgsa w całym kosmosie. „Do czasu odkrycia bozonu Higgsa wszystko to było czystą teorią” – mówi Matthew D. Schwartz, profesor fizyki na Harvard University. Wcześniej nikt nie znał masy tej cząstki.
W rezultacie fizycy nie byli pewni, czy rozpad próżni jest w ogóle możliwy. Mieli wzór na oszacowanie prawdopodobieństwa jego wystąpienia, ale zależał on od trudności zmiany pola Higgsa z jego obecnego ustawienia domyślnego, które było nieznane. Wzór mówił, że jeśli przełącznik byłby bardzo sztywny, nasza próżnia byłaby prawidłowym ustawieniem domyślnym, a nie próżnią fałszywą, i nigdy by się nie rozpadła. Gdyby przełącznik był łatwy do przestawienia, rozpad byłby znacznie bardziej prawdopodobny. Kiedy zespoły LHC ogłosiły odkrycie cząstki Higgsa, w końcu uzyskaliśmy wyraźny pomiar, jak trudno jest przesunąć pole Higgsa. Po raz pierwszy możliwe było obliczenie prawdopodobieństwa rozpadu próżni.
Wynik był uspokajający. W 2017 roku zespół, w skład którego wchodził Schwartz, obliczył, że prawdopodobieństwo, iż bąbel rozpadu próżni mógł do tej pory do nas dotrzeć, wynosi zaledwie jeden do 10606, co jest absurdalnie małą liczbą. Wyobraźmy sobie, że bierzemy każdy atom ze wszystkich gwiazd na niebie, przyznajemy każdemu z nich jego własny wszechświat gwiazd, a następnie robimy to jeszcze pięć razy. Teraz wyobraźmy sobie, że ktoś losowo wybiera jeden atom z końcowej sumy, a ty jesteś proszony o odgadnięcie, który to jest; bardziej prawdopodobne jest, że wybierzesz ten konkretny atom z tych wszystkich wszechświatów, niż że doświadczysz rozpadu próżni.
W obliczeniach istnieje jednak element niepewności, a fizycy nadal aktualizują swoje szacunki na podstawie nowych danych. Wzór stosowany do obliczania prawdopodobieństwa rozpadu próżni zależy nie tylko od trudności zmiany pola Higgsa, ale także od masy innych cząstek elementarnych, a także od siły oddziaływań działających na te cząstki. Obliczenia z 2024 roku oparte na bardziej precyzyjnych pomiarach jeszcze bardziej obniżyły to prawdopodobieństwo do około jednego na 10868.
Istnieje jednak możliwość, że inne czynniki wpływają na prawdopodobieństwo rozpadu próżni. Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, wyobraźmy sobie, że wrzucamy szczyptę soli do garnka z wodą tuż przed jej zagotowaniem. Kiedy sól trafia do wody, kilka pierwszych pęcherzyków, które dopiero zaczęły powstawać, mnoży się, tworząc pianę. Jeśli woda wcześniej nie była wrząca, teraz już jest. Fizycy twierdzą, że sól jest „zarodkiem” pęcherzyków. Każde ziarenko soli może służyć jako zarodek – małe jądro przemiany. Chropowata powierzchnia ziarenek soli ułatwia tworzenie się pęcherzyków. Wkrótce pęcherzyki rozprzestrzeniają się, aż cała woda w garnku zaczyna wrzeć.
Okazuje się, że to, co działa w przypadku pęcherzyków pary, działa również w przypadku bąbelków próżni. Potrzebna jest jednak bardziej wyrafinowana sól. A konkretnie czarne dziury.
W 2015 roku troje fizyków z Anglii – Ruth Gregory i Philipp Burda z Durham University oraz Ian Moss z Newcastle University – ustaliło, co jest do tego potrzebne. (Inni wcześniej spekulowali, że czarne dziury mogą wywołać rozpad próżni, ale obliczenia udało się w końcu przeprowadzić dzięki danym z LHC). Zespół z Wielkiej Brytanii odkrył, że czarne dziury mogą znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo rozpadu próżni, tworząc pęcherzyki w taki sam sposób, jak sól robi to w gotującej się wodzie. Aby jednak czarne dziury mogły wywrzeć znaczący wpływ, muszą być niezwykle małe.
Większość czarnych dziur, które astronomowie obserwują we Wszechświecie, to umarłe gwiazdy. Kiedy największe gwiazdy docierają do końca swojego życia, eksplodują jako supernowe, tworząc czarne dziury. Jeśli czarną dziurę pozostawi się samą, zacznie ona zanikać. Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury z czasem maleją, uwalniając cząstki zwane promieniowaniem Hawkinga. Promieniowanie to powstaje, ponieważ ekstremalna krzywizna przestrzeni i czasu wokół czarnej dziury zmienia sposób, w jaki pola kwantowe falują, powodując, że chwilowe drganie przełącznika zamienia się w długowieczną cząstkę. Parowanie czarnych dziur jest niezwykle powolne w przypadku dużych, delikatnie zakrzywionych czarnych dziur i trwa znacznie dłużej niż obecny wiek Wszechświata. W miarę jak czarna dziura się zmniejsza, jej krzywizny stają się ostrzejsze, co powoduje, że wytwarza ona coraz więcej cząstek i wyparowuje coraz szybciej. Najmniejsze czarne dziury wyparowują w mgnieniu oka.
Gregory i jej współpracownicy odkryli, że – właściwie z tego samego powodu – im bardziej zakrzywiona jest czasoprzestrzeń wokół czarnej dziury, tym większy ma ona wpływ na rozpad próżni: silnie zakrzywiona czasoprzestrzeń ułatwia zmiany pól kwantowych, w tym pola Higgsa. Czarne dziury powstałe z gwiazd są zbyt duże, a czasoprzestrzeń wokół nich jest za mało zakrzywiona, aby rozpad próżni stał się istotnie bardziej prawdopodobny. Bardzo małe czarne dziury również nie mają znaczenia, ponieważ wyparowują, zanim zdążą wywołać zjawisko. Jednak czarne dziury o masie kilkudziesięciu gramów, czyli pośrednie pod względem wielkości, mogą przyspieszać powstawanie pęcherzyków.
Stworzenie tak małej czarnej dziury wymagałoby ściśnięcia kilkudziesięciu gramów materii w przestrzeń wielokrotnie mniejszą od protonu, co obecnie nie jest możliwe ani technicznie, ani astrofizycznie. Jednak w czasie tuż po Wielkim Wybuchu czarne dziury mogły powstawać, zanim pojawiły się gwiazdy, gdy niezwykle gorąca, gęsta materia tworzyła zmarszczki i stygła. Te pierwotne czarne dziury mogły mieć odpowiednią wielkość, aby zapoczątkować powstawanie pęcherzyków rozpadu próżni, lub mogły skurczyć się do odpowiedniej wielkości później. Astronomowie poszukują dowodów na istnienie małych pierwotnych czarnych dziur, ponieważ mogłyby one również wyjaśniać tajemnicze zjawisko ciemnej materii. Dotąd nie znaleziono żadnych dowodów na ich istnienie.
W 2019 roku gregory połączyła siły z dwoma fizykami z USA, De-Chang Dai z Case Western Reserve University i Dejanem Stojkovicem z State University of New York w Buffalo. Razem obliczyli, ile małych czarnych dziur byłoby potrzebnych, żeby zniszczyć Wszechświat. Temat ten zafascynował Stojkovica. „Nie lubię spekulować bez obliczeń, ale kiedy już one są, to nawet jeśli wydają się absurdalne, należy się z nimi zmierzyć – mówi. – Trzeba zacząć traktować to poważnie. A co, jeśli w pobliżu Ziemi znajduje się bąbel? I porusza się z prędkością światła? Lepiej szybko to obliczyć!”
Kiedy Stojkovic podczas spotkania na Florydzie przedstawiał wyniki badań zespołu dotyczących rozpadu próżni, jeden z obecnych na sali malkontentów zapytał, dlaczego miałby się tym przejmować. Jeśli bąble próżni rozszerzają się z prędkością światła, jeden z nich uderzyłby w nas, zanim zdążylibyśmy zauważyć, że się zbliża. W takim razie po co nam taka wiedza?
To pytanie skłoniło Stojkovica do głębszej analizy. Współpracując ponownie z Dai oraz Djordje Minicem z Virginia Tech odkrył, że chociaż bąbel próżni porusza się z prędkością światła w pustej przestrzeni, to spowalnia, gdy napotyka masywne obiekty, takie jak gwiazdy i planety. W tym roku Stojkovic, Dai i student Stojkovica Amartya Sengupta opublikowali preprint zatytułowany „The Signals of the Doomsday” (Sygnały zagłady), w którym opisują, co astronomowie mogliby zobaczyć, gdyby taki bąbel znajdował się w pobliżu: byłby to wybuch światła o określonym widmie. A co, jeśli zobaczymy taki sygnał? „Wtedy trzeba będzie zdecydować, co robić – mówi Stojkovic. – Nie wiem – może po prostu pójść na plażę?”
Bardziej nieszablonową opcję rozważał Ashoke Sen, fizyk z International Centre for Theoretical Sciences w Bangalurze w Indiach. W 2015 roku Sen opublikował esej, w którym zaproponował, że ludzkość może przetrwać rozpad próżni, wykorzystując ekspansję samej przestrzeni. Czasoprzestrzeń nieustannie się rozszerza, a ekspansja ta wydaje się przyspieszać z powodu tajemniczego zjawiska zwanego ciemną energią. W miarę jak przestrzeń rozszerza się coraz szybciej, odległe miejsca będą oddalać się od siebie z prędkością większą niż prędkość światła. Sen zasugerował, że gdyby ludzkość mogła rozmieścić się w odległych układach gwiezdnych wystarczająco wcześnie w czasie kosmicznym, to przynajmniej niektórzy ludzie uniknęliby śmierci w wyniku rozpadu próżni. Rozszerzający się Wszechświat rozdzieliłby ich szybciej niż jakikolwiek nadciągający bąbel zagłady, którego źródłem byłaby transformacja pola Higgsa. Artykuł pojawił się w internecie w prima aprilis, ale Sen rozwijał tę ideę w tym samym roku dalej, co sugeruje, że traktuje ją poważnie – przynajmniej do pewnego stopnia.
Jest wiele rzeczy dotyczących rozpadu próżni, których fizycy nadal nie wiedzą. Lepsze pomiary ze zderzaczy cząstek mogłyby radykalnie zmienić obliczenia, podobnie jak znalezienie dowodów na istnienie malutkich czarnych dziur. Ale jest jeszcze większa tajemnica, której w najbliższym czasie prawdopodobnie nie uda nam się rozwikłać.
Obliczając prawdopodobieństwo rozpadu próżni, fizycy korzystają z teorii zwanej Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych. Model Standardowy obejmuje wszystkie znane cząstki i z niezwykłą precyzją opisuje wyniki eksperymentów. Wiemy jednak, że jest on niekompletny. Model ten zawodzi, gdy fizycy próbują go użyć do opisania cząstek o niezwykle wysokiej energii, zwanej energią Plancka. Gdybyśmy mogli zderzyć dwa protony o tej energii, która jest mniej więcej równa energii zawartej w pełnym zbiorniku paliwa typowego samochodu, nie bylibyśmy w stanie przewidzieć, co się stanie: Model Standardowy podałby nam nonsensowne wyniki.
Aby to naprawić, do Modelu Standardowego należy dodać coś nowego. Fizycy spodziewają się, że istnieją jeszcze inne pola: nowe ustawienia Wszechświata, których nie zauważyliśmy, ponieważ ich zmiana wymaga ogromnych ilości energii. Pola te odpowiadałyby niezwykle masywnym, nieodkrytym jeszcze cząstkom. Jeśli jednak te nowe pola wpływają na pole Higgsa, wszystko staje się niepewne. Istnienie takich pól i cząstek może zmienić prawdopodobieństwo rozpadu próżni, a nawet oznaczać, że nie ma drugiej doliny dla pola Higgsa.
W tym momencie można by pomyśleć, że praktycznie nic nie wiemy o rozpadzie próżni. Jednak mamy jeden kluczowy dowód, który mówi nam całkiem sporo: my żyjemy. Sam fakt, że rozpad próżni jeszcze nie nastąpił – że Wszechświat mógł istnieć przez 13,7 mld lat bez niszczącego go bąbla – nakłada ograniczenia na prawdopodobieństwo rozpadu próżni.
Załóżmy że fizycy, opierając się na Modelu Standardowym, obliczyli, iż istnieje 90-procentowe prawdopodobieństwo, że bąbel próżni dotarłby już do nas. Może to brzmieć przerażająco, ale zastanówmy się przez chwilę. Zasadniczo takie same prawdopodobieństwo obowiązywałoby również w przeszłości. Dla przykładu, tysiąc lat temu prawdopodobieństwo uderzenia przez bąbel próżni wynosiło już 89,999999% (wówczas prawdopodobieństwo było nieco niższe, ponieważ Wszechświat był trochę młodszy, co oznacza, że bąbel miałby nieznacznie mniej czasu, aby do nas dotrzeć). Oczywiście, nie zostaliśmy unicestwieni, więc obliczenia oparte na 90-procentowym prawdopodobieństwie musiałyby coś pomijać. „Wszechświat byłby niestabilny, a to oznaczałoby, że aby go ustabilizować, musiałaby istnieć nowa fizyka. W przeciwnym razie nie byłoby nas tutaj” – mówi Schwartz.
Sam fakt naszego istnienia może nam powiedzieć o prawach fizyki coś, co wykracza daleko poza możliwości naszych badań. Gdyby fizycy obliczyli wysokie prawdopodobieństwo rozpadu próżni, a mimo to rozpad próżni nadal nie nastąpił, niemal na pewno oznaczałoby to, że w odległej drugiej dolinie pola Higgsa znajduje się zbiór nowych pól kwantowych, których Model Standardowy nie uwzględnia. Nie jesteśmy w stanie zmierzyć tych pól obecnie i nie będziemy mogli zrobić tego wkrótce. Ale może się uda to w utopijnej przyszłości pośród gwiazd. A obliczenia, które wykonujemy teraz, mogą wskazać naszym potomkom, gdzie mają szukać.