Pengeélen a Hawking-világvége

A Higgs-tér ügyesen egyensúlyozza az Univerzumot, de lehetne stabliabb

Stephen Hawking kedd reggel a Világegyetem teljes megsemmisülésével ijesztgetett, melyet a Higgs-részecske fog elhozni. Nem valószínű, hogy igaza lesz. A Higgs-részecske mögött rejlő Higgs-térnek viszont lehet egy olyan változata, amely alapvetően megváltoztathatja az univerzum szerkezetét.

2012-ben a CERN Nagy Hadronütköztetőjében lezajlott egy Nobel-díjas részecskefizikai esemény, megtalálták a Higgs-részecskét. A régóta keresett részecske bizonyította a Higgs-tér létét. A Higgs-tér alapvető fontosságú a tömeg magyarázatához. Láthatatlan, de mindent kitölt, és mind benne élünk - olyan természetes számunkra, mint halnak a víz. Azok a részecskék, amelyek kölcsönhatásba lépnek vele, tömeget nyernek, amelyek viszont nem, azoknak nem lesz tömegük.

A Higgs-bozon elbomlásának nyomai az LHC CMS-detektorában Forrás: CERN, Collaboration, CMS; Taylor, L

A Higgs-tér alapvető a Világegyetem felépítése szempontjából, nélküle elképzelhetetlen az anyag mai formája. Ennek ellenére könnyen lehet, hogy jelenlegi állapotában mégsem stabil. Hawking kedden arról beszélt, hogy ennek milyen végzetes következményei lehetnek az univerzumra és ránk nézve. Szerinte a Higgs-részecske egy bizonyos energiaszint (100 milliárd gigaelektronvolt) felett szélsőségesen instabillá válhat. Ennek következményeként egy vákuumbuborék jönne létre, és mindent elpusztítana fénysebességgel való tágulása közben. Szerencsére az elmélet több sebből vérzik, így egyelőre nem érdemes hinni Hawkingnak.

Univerzum a hegy tetején

A vákuum a kvantumfizika szerint nem teljesen üres. Míg a legtöbb fizikai térhez forrásra van szükség (például az elektromágneses térnél egy töltött részecskére), a Higgs-tér nem ilyen. Az egyszerűen ott van - így amit eddig vákuumnak, ürességnek hittünk, a mögött is ott feszül láthatatlanul. A Higgs-tér tehát a modern értelemben vett vákuum egyik alapvető összetevője.

A komplikációk ott kezdődnek, hogy nem kizárható: a Higgs-tér jelenleg is működő változata nem stabil, hanem egy úgynevezett metastabil állapotban van. Hétköznapi példával olyan, mint egy hegy tetején lévő tó, mondjuk egy krátertó. Ha a tó túlcsordul a kráter peremén, akkor a víz lezúg a hegy lábához (és ott is marad), de amíg nem bolygatják, addig jó neki fent is.

A Higgs-tér ügyesen egyensúlyozza az univerzumot, de lehetne stabilabb (illusztráció) Forrás: CERN, Dominguez, Daniel

Amíg a Higgs-tér nem változik és stabil, a valóság olyan, amilyennek mi is érzékeljük. Nagyon magas energiákon viszont elképzelhető, hogy "átmászhat" azon a gáton, amely ebben a félig stabil állapotban tartja, és leereszkedhet a völgybe. Ekkor - mint annak alapvető összetevője - teljesen átalakítaná a vákuum jelenlegi formáját. Ha valahol a Világegyetem egy pontjában létrejönne ez az úgynevezett fázisátmenet, akkor ez az új tér megállíthatatlan buborékként kezdene felfújódni.

Hamis vákuum

Ezt a jelenséget korábban két fizikus, Sidney Coleman és Frank De Luccia is felvetette: ők még nem beszéltek Higgs-térről, de feltételezték, hogy a kvantumfizikai vákuumnak lehet egy alacsonyabb energiaállapottal rendelkező változata is, amiben pedig mi élünk, az egy “hamis vákuum”. Ők is felvetették, hogy ha mi ebben a metastabil változatban élünk, akkor elképzelhető, hogy egyszer - feltehetőleg a kvantumfizikai alagúteffektus segítségével - átbillenhetünk valódi vákuumba. A következmény ugyanaz: az új kvantumfizikai vákuum fénysebességgel növekvő buborékként mindent eltörölne.

Ez valóban kataklizmikus esemény lenne a benne élők számára, ráadásul mivel a hatás fénysebességgel terjedne, nem lehetne előre látni sem. Ha a Higgs-tér csak egy picit is megváltozna, már akkor is alapvetően átalakulna minden: összemennének az atomok, az atommagok felbomlanának, az egész világ drasztikusan új formát öltene. A valóság szerencsére ennél jóval biztatóbb.

Messze még a világvége

2012-ben, mielőtt megbizonyosodtak volna a Higgs-térről, fizikusok felvetették, hogy a Higgs-bozon és az úgynevezett top kvark (egy másik részecske) tömegéből meg lehetne jósolni, hogy a - modern értelemben vett - vákuum stabil-e. Arra jutottak, hogy ha a Higgs-bozon tömege nagyjából 123 és 135 GeV (gigaelektronvolt) közé esik, akkor szerencsénk van, és a kvantumvákuum stabil. Az LHC-ban észlelt részecske ebbe pontosan belefért: a tömegére 126 GeV adódott. Viszont ez még nem életbiztosítás, sokkal pontosabb mérésekre van szükség.

Stephen Hawking Forrás: AFP/Evert Elzinga

Bár Hawking valamiért csak most hívta fel rá a nagyközönség figyelmét, az elmélet valójában nem új. Elméleti fizikusok már jó ideje ismerik és kutatják, sőt már számos sci-fi írót is megihletett a téma. A CERN fizikusai is kiszámolták, hogy mennyi idő lenne hátra addig, amíg az instabil univerzumunk stabilba billen, az eredményre pedig 10¹⁰⁰ év adódott. Ez annyira messze van, hogy addigra a Földet úgyis rég elnyelte már a vörös óriássá fúvódó Nap. Mégis: mi történne, ha csak egyszer is sikerülne olyan magas energiát elérnünk, hogy idő előtt megtörténik ez az úgynevezett fázisátmenet? A Földön lévő gyorsítókkal a fekete lyukakban és a kozmikus sugárzásban található energiák töredékét sem tudjuk létrehozni, és még azokban sem jött létre soha ilyen buborék, így erre nincs esély.

A mindenség elmélete

Mindezek az elméletek csak akkor lennének érvényesek, ha a Standard Modell teljes lenne. Ez viszont egyelőre nincs így, a Hawking által említett magas energiákon már nem is érvényes. A Standard Modell célja a fizika alapvető kölcsönhatásának összefogása, de egyelőre csak részben működik, nem képes mindent megmagyarázni (lásd sötét anyag, sötét energia), ahhoz új elméletekre lesz szükség, amelyek kidolgozása jelenleg is a részecskefizika egyik elsődleges feladata. Az is lehet, hogy nemcsak egyetlen Higgs-bozon van, hanem egy pár, és teljesen más elméletekre van szükség, így egyáltalán nem biztos, hogy az univerzumnak valóban az lesz a sorsa, amit Hawking jósolt.