Higgsův boson by mohl zničit svět, říká slavný fyzik. A je to pravda

Dostatečně velký urychlovač ve spojení s „božskou částicí“ by mohl vést ke zničení současného vesmíru, napsal v novém článku fyzik Stephen Hawking. Pro jeho kolegy to není nic nového, ale novináře samozřejmě zaujal.

Záběr sestavování detektoru CMS na urychlovači LHC. Je to jeden ze dvou největších detektorů v tunelu pod střediskem CERN, které odvádí hlavní díl práce při hledání Higgsova bosonu | foto: PSL/U. of Madison-Wisconsin

Známý britský fyzik Stephen Hawking a nejznámější subatomární částice, Higgsův boson, mají celkem zajímavou společnou minulost. Hawking si nejprve vsadil na to, že „Higgs“ se nikdy nenajde. Když o svých sto dolarů přišel, řekl, že objevu částice lituje – bez ní by totiž fyzika byla podle něj zajímavější. (Bylo by totiž jasné, že v částicové fyzice je rychle zapotřebí nějaké nové teorie.)

Záběr z roku 2007, kdy se Stephen Hawking vydal na krátký parabolický let ve stavu beztíže.

V posledních dnech se Hawking a známý boson znovu potkali, alespoň v médiích. Britský fyzik v předmluvě knihy o dobývání vesmíru Starmus: 50 let člověka ve vesmíru (tedy ani ne o fyzice) napsal, že Higgsův boson by mohl způsobit zánik našeho vesmíru. A novináři samozřejmě využili příležitosti (jedna dobře zpracovaná anglická zpráva je například zde). Takže se pojďme povídat, jak si na pohled katastrofickou Hawkingovu předpověď vyložit, než zkomolená zpráva dorazí i k nám. Bude to o to zajímavější, že zprávou se neskrývá jenom kuriozita, ale skutečný problém moderní fyziky.

Předem se však autor omlouvá za omezení daná formátem zprávy (a potažmo i za svou omezenost, ale to je jiná kapitola). Bez matematiky nelze tuto problematiku představit v plné hloubce a do všech důsledků, ale můžeme se pokusit ji alespoň přiblížit.

Předem je nutné si uvědomit vratkost dnešních fyzikálních teorií v oblastech, které se dotýkají některých zásadních oblastí existence vesmíru. Jednoduše řečeno nemáme přesnou představu, proč vesmír existuje a má současnou podobu. Velmi dobře dokážeme popsat chování běžných částic naší hmoty od subatomárních částic, ale jak vznikají, co je drží pohromadě a proč mají současnou podobu, tušíme jen částečně.

Kdo je Stephen Hawking?

Více o práci a životě nepochybně geniálního britského fyzika (a mimochodem i milionáře) s vážným postižením svalů najdete v našem starším článku k výročí jeho 70. narozenin.

Jedna z možností, která se dnes nabízí a neodporuje zatím našim poznatkům je, že současná podoba vesmíru je prakticky náhodná. Celý vesmír je možná jen zdánlivě stálý a stabilní. Kdybyste do něj drcli, struktura by se nakonec uspořádala do jiné stabilní podoby. Není to nic nového, teoretikové tuto možnost předpověděli už před několika desetiletími. A zatím se nenašly žádné jasné důkazy, které by ji vyvrátily. Takže ji nemůžeme vyloučit, ale rozhodně bychom ji neměli brát za jedinou možnou, ba dokonce ani za tu nejpravděpodobnější.

Ale zpět ke konci vesmíru. Hawking tedy v podstatě jen opakuje starou hypotézu, že když „zatřeseme“ Higgsovým polem, mohlo by to možná zničit vesmír. (Higgsův boson je jednoduše projev tohoto pole, takže částice a pole jsou „spojené nádoby“, které pro naše účely není až tak důležité rozlišovat).

V jeho podání by takovým otřesem mohlo být dodání neuvěřitelného množství energie tzv. Higgsovým bosonům pomocí velmi silného urychlovače, zhruba o výkonu 100 miliard gigaelektronvoltů - byl by tedy zhruba sedmmilionkrát silnější, než má činit plánovaný výkon urychlovače LHC. Stavba takového zařízení „v současném ekonomickém klimatu je dosti nepravděpodobná“ (Hawkingův výraz), a jedná se o suchý understatement. Šlo by totiž o obří zařízení.

Pro srovnání, středisko CERN plánuje kruhový urychlovač s obvodem zhruba sto kilometrů, který urychlí protony na 100 TeV, tedy 7krát větší než LHC. Při lineární extrapolaci by milionkrát větší energie vyžadovala milionkrát delší obvod urychlovače, tedy kolem 100 milionů kilometrů, což je řádově vzdálenost od Země ke Slunci (ta je cca v průměru necelých 150 milionů km).

Triviální problémy ale nechme stranou a vraťme se k ničení vesmíru: Jak by to probíhalo (či spíše mohlo možná probíhat)? Analogií si můžeme představit, že Higgsovo pole dnes zaujímá nejnižší možnou energetickou hladinu, kterou mu okolnosti (tedy stav našeho vesmíru) dovolují. Třeba jako balvan, který se svalil z hory do nejbližšího údolí. Ale kdybychom dodali částici dost energie, „balvan“ by se mohl proboural skrze horu, u které leží, do nějakého hlubšího údolí, do nižší nadmořské výšky. (Doslova by se „protuneloval“ na nové místo pomocí jevu nazvaného kvantové tunelování).

My to říkali. Dva význační teoretici, kteří předpovídali existenci Higgsova bosonu, zachycení během středečního setkání v CERNu. Vpravo je Peter Higgs, po kterém má částice (a celý mechanismus za ní) jméno. Vlevo je Francois Englert, jehož předpověď byla "obecnější", ale také přesná a její přínos nesporný. Oba jsou kandidáty na Nobelovu cenu.

Fyzikové odhadují, že by takový děj vedl k přeuspořádání fyzikálních zákonů. Nejprve v daném místě, kde k události došlo, pak by se změna šířila rychlostí světla do zbytku vesmíru. A to by mohlo vést k narušení sil, které drží dohromady částice, z nichž jsme my a všechna viditelná hmota stvořeni. Byl by to konec vesmíru, jak ho známe.

Aby nejistých hypotéz a předpokladů nebylo málo, nemůžeme vyloučit, že k podobné události nedojde spontánně, jednoduše náhodou. Higgsův boson se může „níž do údolí“ (na nižší energetickou úroveň) „protunelovat“ s jistou pravděpodobností v důsledku náhodných dějů v kvantovém světě. S jakou přesně, není jasné, mohlo by to být 10²⁰ za nebo také 10¹²⁰ let, rozpětí je veliké. (Náš vesmír je podle nejlepších současných odhadů starý zhruba 1,4x10¹⁰ let, tedy kolem 14 miliard roků.) Je také stejně dobře možné je, že k této události už došlo a my jen čekáme, až k nám její „vlna“ dorazí, což se samozřejmě vzhledem k rychlosti jejího šíření nedozvíme dříve, než tu bude.

Může se zdá, že otázka možné stability či nestability Higgsova pole je jen plané fantazírování, ale ve skutečnosti je to pro fyziky velmi zajímavé téma. Byť není rozhodně nové: nestability vesmírů obecně se studují ve fyzice desetiletí, ve stovkách článků. Nešlo tehdy jen o Higgsovo pole (a boson), zkoumají se i různé další možnosti zhroucení vesmíru (či spíše různých hypotetických vesmírů). Pozornost se však soustředila v posledních letech právě na „božskou částici“.

Urychlovač LHC a s ním spojené systémy jsou kolektivní dílo. Na snímku je část (pár set jich chybí) vědců pracujících na detektoru ATLAS, který je umístěn na urychlovači LHC.

Přispěl k tomu především objev urychlovače LHC, že Higgsův boson má hmotnost kolem 126 GeV. Teoretické modely říkají, že při této hodnotě je tzv. metastabilní. Je to jako v příkladu na začátku článku: v tuto chvíli je sice celá stavba stabilní, ale při otřesu se může snadno zhroutit.

Nejlepší nadějí na to, že bychom se v dohledné době mohli dočkat odpovědi, je urychlovač LHC ve středisku CERN. V roce 2012 vstoupil do dvouleté odstávky, během které by mělo dojít k úpravám nutným pro navýšení jeho výkonu na dvojnásobek dnešního. Odstávka by měla skončit v listopadu 2014 a experimenty opět začnou v únoru nebo březnu 2015. Odborníci doufají, že během nich najdou stopy po existenci nějaké „nové fyziky“, která by mohla vysvětlit mimo jiné i to, zda Higgsův boson opravdu může zničit vesmír a proč to ještě neudělal.

Jak to bylo s objevem Higgsova bosonu podle Sheldona a Penny:

Upozornění: V článku jsme zvýšili rozpětí možného rozpětí spontánní destabilizace Higgsova pole (z 10¹⁰⁰ na 10²⁰-10¹²⁰). Předchozí podoba dávala falešný dojem, že jde o přesný výpočet, na kterém se teorie shodují. Opravili jsme několik překlepů a děkujeme čtenářům, kteří na ně upozornili.