Primordiální černé díry mohly krátce po Velkém třesku zničit vesmír tím, že by narušily Higgsovo pole, ukazují data z nového výzkumu. Podle fyziků to může naznačovat rovnou více různých věcí.
Naše Země je proměnlivá a dynamická – ale samotný vesmír pokládáme za něco stabilního a v podstatě „jistého“. Ale několik experimentů naznačuje, že je ohrožen – „kráčí po okraji velmi nebezpečného útesu. A za vše může nestabilita jediné základní částice: Higgsova bosonu,“ tvrdí autoři nového výzkumu.
Popsali to v odborném časopisu Physical Letters B. Zkoumali některé modely raného vesmíru, konkrétně ty, které obsahují objekty, jimž se říká lehké primordiální černé díry. Podle studie tyto modely nemohou být správné. Protože kdyby byly, vesmír by už musel zkolabovat. Změnil by se totiž Higgsův boson a tím se rozpadla základní pravidla, jimiž se kosmos řídí.
Higgsův boson, přezdívaný někdy Božská částice, je zodpovědný za hmotnost a interakce všech nám známých částic. Hmotnosti částic je totiž podle fyziků důsledkem interakce elementárních částic s polem, kterému se říká Higgsovo pole. Bez existence Higgsova bosonu a jemu odpovídajícího pole by podle vědců elementární částice létaly vesmírem rychlostí světla, a nikdy by tak nevznikly atomy, hvězdy a planety.
Autoři nové studie popisují Higgsovo pole v popularizačním článku na webu Conversation jako klidnou hladinu vody napuštěnou ve vaně, v níž se člověk koupe. Stejně jako voda má ve vaně všude stejné vlastnosti, i Higgsovo pole je v celém vesmíru nutně stejné. Prokazují to naměřené důkazy: v celém známém kosmu astrofyzici pozorují stejné hmotnosti a stejné interakce částice – a to po celou dobu, co lidstvo vesmír zkoumá.
Jako by voda ve vaně začala vřít
Higgsovo pole se ale pravděpodobně nenachází v nejnižším možném energetickém stavu, ve kterém by se mohlo nacházet. To znamená, že není v „přirozeném stavu“, k němuž částice a pole směřují. Jsou-li v jakémkoli vyšším stavu, než je ten nejnižší možný, může se stát, že klesnou do stavu s nižší energií. „Pokud by k tomu však došlo, dramaticky by to změnilo fyzikální zákony,“ popisují důsledky vědci.
Zpět k příměru s vanou. Velmi zjednodušeně to připomíná situaci, kdyby se voda změnila v páru – tento fázový přechod by pro člověka ve vaně (obyvatele vesmíru) nebyl nic příjemného. Vroucí voda v nádrži by u hladiny bublala, fázový přechod v Higgsově poli by podobně vytvořil nízkoenergetické bubliny prostoru s úplně jinou fyzikou. Fyzikou, kterou si člověk jen těžko může představit, a fyzikou, kterou by nemohl pozorovat, protože v takovém světě by nemohl existovat.
Bublina v Higgsově poli by změnila hmotnost elektronů v ní – a to znamená, že by úplně jinak vypadaly i jejich interakce s ostatními částicemi. Protony a neutrony – které tvoří atomové jádro a jsou složeny z kvarků – by náhle přestaly fungovat. „V podstatě každý, kdo by takovou změnu zažil, by ji už pravděpodobně nebyl schopen zaznamenat,“ popisují autoři.
Je to možné
Nedávná měření hmotností částic z Velkého hadronového urychlovače (LHC) v CERNu naznačují, že něco takového není vyloučené. Vědci však uklidňují, že k tomu může dojít až za velmi dlouho, mnohem víc než miliardy let. Vesmír proto není označovaný za stabilní, ale dokonce za „metastabilní“ – jeho zásadní změna se nedá očekávat celé miliardy let.
Voda ve vaně se totiž jen tak vařit nezačne, a podobně nemohou začít vznikat ani bubliny v Higgsově poli. Jeho energie díky kvantové mechanice stále kolísá, ale celkově je stabilní – nerovnováha způsobující růst bubliny nestability je tedy sice možná, ale extrémně nepravděpodobná. Zjednodušeně řečeno: K vytvoření bubliny potřebuje Higgsovo pole dobrý důvod. Díky kvantové mechanice, teorii, která řídí mikrokosmos atomů a částic, energie Higgsova pole neustále kolísá. A je statisticky možné, že Higgsovo pole čas od času bublinu vytvoří. Jen je to extrémně nepravděpodobné.
Tohle všechno nicméně platí jenom v „normálních podmínkách“. Při extrémech s masivními gravitačními poli nebo horkým plazmatem by si pole mohlo tuto energii vypůjčit a vytvořit bublinu s jinými fyzikálními zákony. Taková energie by ale musela být obrovská – když do vany padne zápalka, nic se nestane – kdyby tam ale spadl zapojený fén, dá se reakce očekávat. V současném vesmíru už takové zdroje moc neexistují, ale něco jiného je doba krátce po vzniku vesmíru, kdy v něm panovaly mnohem extrémnější podmínky.
Tehdy sice bylo energie dost, ale hlavně ve formě tepla, což zase pomáhalo Higgsovo pole stabilizovat tím, že se změnily jeho kvantové vlastnosti. „Proto toto teplo nemohlo vyvolat konec vesmíru, což je pravděpodobně důvod, proč jsme stále zde,“ říkají autoři studie.
Poslové konce světa
Ale když si vědci prošli možný seznam jevů, jež by mohly Higgsovo pole destabilizovat, na jeden fenomén přece jenom narazili. Jsou to takzvané primordiální černé díry, které vznikaly v počátcích existence kosmu. Byly extrémně drobné, možná jako částice, ale extrémně hmotné – podle fyziků měly vznikat v raném vesmíru kolapsem příliš hustých oblastí prostoročasu.
S existencí těchto miniaturních „černých dírek“ počítá celá řada teoretických modelů, které se pokoušejí popsat, jak vypadaly první chvíle našeho vesmíru po Velkém třesku – včetně v poslední době velmi oblíbených modelů, jež popisují období „inflace“, kdy měl vesmír během velmi krátkého času skokově narůst.
Ale... Steven Hawking roku 1971 popsal, že černé díry se vypařují – čím jsou menší, tím rychleji se z nich uvolňuje energie v podobě tepla; později se jako pocta slavnému fyzikovi začalo toto záření nazývat Hawkingovo. A primordiální černé díry by se vypařily velice rychle, do současnosti by tedy přežít nemohly. Co by to udělalo s Higgsovým polem?
Autoři výše zmíněné práce to přirovnávají k tomu, jako by se do vany hodila tableta šumáku – sice drobná, ale schopná rozpoutat zuřivé šumění spojené se spoustou bublin. Ohřívaly by tak velmi rychle jinak chladný okolní prostor, což by podle vědců způsobilo neustálé bublání Higgsova pole. Což v kontextu nové studie musí znamenat jediné: tyto objekty zkrátka nemohly existovat – důkazem je naše existence. „Stále jsme tady. To znamená, že je velmi nepravděpodobné, že by takové objekty někdy existovaly. Ve skutečnosti bychom měli vyloučit všechny kosmologické scénáře předpovídající jejich existenci,“ konstatují autoři.
Všechno je složité
Autoři dodávají, že i jejich výzkum je samozřejmě jen teoretickým – a že se snadno jejich hypotéza o kosmu bez primordiálních černých děr může rozpadnout. Stačí jen, aby se důkazy o jejich existenci podařilo najít, což by mohlo být v datech získaných z gravitačních vln nebo takzvaného reliktního záření, podotýkají autoři.
A dodávají, že by jim to vlastně ani moc nevadilo. Naopak. „Pokud se nám to (najít důkazy o existenci primordiálních děr, pozn. red) podaří, může to být ještě zajímavější. Naznačovalo by to, že existuje něco zásadního, co o Higgsově bosonu nevíme; něco, co ho chrání před bubláním v přítomnosti vypařujících se prvotních černých děr. Může jít ve skutečnosti o působení zcela nové částice nebo síly.“
„Ať tak či onak, je zřejmé, že o vesmíru v nejmenších i největších měřítkách máme stále co objevovat,“ dodávají autoři studie.
