Děsivá teorie rozpadu falešného vakua: Vesmír se může kdykoliv rychlostí světla sám smazat

Když přemýšlíme o konci světa, představujeme si věci, které známe z hollywoodských trháků. Obří asteroid řítící se k Zemi, globální pandemii, nukleární zimu nebo snad pomalé vyhasnutí Slunce. Všechny tyto scénáře mají ale jedno společné: i když znamenají konec pro lidstvo, samotný vesmír by si jich ani nevšiml. Zákony fyziky by platily dál.

Existuje však jedna teoretická hrozba. Scénář absolutní destrukce, který by nevyhladil jen život, ale vymazal by samotnou podstatu reality, hmoty a prostoru. Navíc by se mohl spustit naprosto kdekoliv, klidně hned zítra, a šířil by se rychlostí světla. Neměli bychom sebemenší šanci jej vidět přicházet.

Vítejte u jedné z nejděsivějších a zároveň nejvíce fascinujících myšlenek moderní teoretické fyziky a kosmologie. Vítejte u teorie rozpadu falešného vakua.

Abychom si přiblížili, v jakém nebezpečí se (možná) nacházíme, musíme nejprve zbořit jeden velký mýtus. Když se řekne vakuum, většina lidí si představí prázdnotu. Místo, kde nic není.

Z pohledu kvantové fyziky ale absolutní prázdnota neexistuje. Prostor je všude vyplněn takzvanými kvantovými poli. Můžete si je představit jako neviditelný oceán pokrývající celý vesmír. A částice (jako elektrony, kvarky nebo fotony) jsou jen vlnkami na hladině tohoto oceánu.

Představte si kuličku, kterou pustíte do obří mísy. Bude se koulet po stěnách tam a zpět, dokud neztratí hybnost a nezastaví se přesně na samotném dně. Tam má nejnižší potenciální energii. Je stabilní.

Když kvantové pole dosáhne stavu s nejnižší možnou energií (dostane se na pomyslné dno mísy), nazýváme to vakuum. Je to stabilní, klidný základní stav.

Až na to, že vědci při zkoumání jednoho specifického pole – Higgsova pole, které dává všem částicím jejich hmotnost – přišli na znepokojivý matematický problém. Co když naše kulička vůbec není na dně?

Představte si, že ona mísa s kuličkou nemá jen jedno dno. Představte si, že po cestě dolů je malá prohlubeň, takové údolíčko vysoko na svahu hory. Kulička do něj spadne a zastaví se. Z jejího pohledu je všechno v pořádku. Nemá kam klesat, okolní stěny údolí ji drží na místě. Zdá se být naprosto stabilní.

Ale fyzik, který vidí celou horu, ví krutou pravdu: dole v údolí leží obrovská propast, mnohem, mnohem hlubší, než je malá prohlubeň s kuličkou.

Té malé prohlubni říkáme falešné vakuum (lokální minimum energie). A té nejhlubší propasti na samém dně říkáme pravé vakuum (globální minimum energie).

Pokud má náš vesmír zákony fyziky, na které jsme zvyklí – pokud má protony, neutrony, atomy, planety a hvězdy – je to proto, že Higgsovo pole spočívá v naší současné prohlubni. Celý náš vesmír funguje tak, jak funguje, protože hodnota energie tohoto pole je přesně taková, jaká je.

Velká přehledová studie publikovaná v časopise Frontiers in Astronomy and Space Sciences ale varuje: současná měření ukazují, že naše elektroslabé vakuum (náš vesmír) je s největší pravděpodobností „metastabilní“. To znamená, že žijeme ve falešném vakuu. Jsme kulička uvízlá vysoko na svahu, chráněná jen tenkou bariérou.

Pokud bariéra mezi naším falešným vakuem a tím pravým vakuem existuje, jak bychom ji mohli překonat? Pokud by kulička neměla energii na to vyskočit přes okraj své jamky, jak by mohla spadnout dolů?

Odpovědí je kvantové tunelování.

V mikrosvětě neplatí pravidla klasické fyziky. Kvantová částice nemusí překonávat zeď tím, že by ji přelezla. S určitou mikroskopickou pravděpodobností se prostě může najednou ocitnout na druhé straně. Doslova tunelem projde skrz bariéru.

Pokud by se malinký kousek prostoru (i o velikosti zlomku atomu) dokázal „protunelovat“ přes bariéru do pravého vakua, stalo by se něco nepředstavitelného. Vznikla by maličkatá bublina pravého vakua.

Jakmile by se kulička ocitla na prudkém svahu dolů do nejhlubší propasti, uvolnilo by to masivní množství energie. Bublina by se okamžitě začala rozpínat všemi směry do okolního vesmíru, a to tou nejvyšší povolenou rychlostí – rychlostí světla.

Uvnitř této bubliny by platily diametrálně odlišné fyzikální zákony. Higgsovo pole by mělo jinou hodnotu, což znamená, že by částice získaly jinou hmotnost. Nebo by ji neměly vůbec.

Tato bublina zkázy by postupovala vesmírem a okamžitě přepisovala realitu a mazala všechno, co jí stojí v cestě. A protože by se řítila rychlostí světla, neexistovalo by žádné varování. Neposlala by před sebou žádný záblesk ani varovný signál. V jedné milisekundě byste seděli v kavárně, a v té další byste (stejně jako celá Sluneční soustava) přestali na fundamentální úrovni existovat.

Možná si říkáte, že je to jen čirá, nepodložená spekulace. Jenže teoretickou hrozbu v posledních letech podepřela surová experimentální data z největšího stroje světa, Velkého hadronového urychlovače (LHC) v CERNu.

Stabilita vesmírného vakua visí na extrémně přesném balancování dvou čísel: hmotnosti Higgsova bosonu a hmotnosti takzvaného top kvarku (nejtěžší známé elementární částice).

Když v roce 2012 vědci konečně objevili Higgsův boson a změřili jeho hmotnost na zhruba 125 GeV, fyzikům přeběhl mráz po zádech. Měření Higgsova bosonu a top kvarku poměrně jasně naznačují, že poměr těchto hmotností řadí náš vesmír s děsivou přesností přímo do zóny „metastability“. Tedy do falešného vakua. Kdyby byl Higgsův boson o něco těžší, náš vesmír by byl naprosto stabilní. Kdyby byl lehčí, už dávno by se rozpadl. My ale balancujeme přímo na hraně nože.

Krátká odpověď zní: Ne.

I když je rozpad falešného vakua matematicky možný, a dokonce nevyhnutelný, vstupuje do hry časové měřítko. Podle výpočtů je průměrný odhadovaný časový úsek, za který by k takovému kvantovému tunelování mělo statisticky dojít, zhruba 10100let (jednička a sto nul).

Náš vesmír je starý necelých 14 miliard let. To je číslo, které má jen 10 nul. Znamená to, že statisticky je obrovsky pravděpodobné, že vesmír skončí tepelnou smrtí, hvězdy vyhasnou a galaxie se rozpadnou miliardy a miliardy let předtím, než jakákoliv bublina pravého vakua dostane šanci vzniknout.

Navíc existuje záchranná brzda. Standardní model fyziky, ze kterého tyto děsivé výpočty vycházejí, stále není kompletní. Neobsahuje například teorii gravitace ani nevysvětluje temnou hmotu. Je vysoce pravděpodobné, že objevíme novou fyziku, skryté fyzikální zákony, které onu tenkou bariéru chrání vesmírným betonem, jen o nich ještě nevíme.

Přesto je představa falešného vakua naprosto fascinující. Učí nás pokoře. Připomíná nám, že i ty nejpevnější jistoty, jako je stabilita pevné látky, vzduchu a hvězd, mohou viset na neviditelném vlásku rozmarných kvantových polí.

P.S.

Díky, že jste dočetli až do konce! Děsivé, že? Falešné vakuum je přesně ten typ teorie, kvůli které miluju fyziku – nutí nás zpochybňovat ty nejzákladnější jistoty a uvědomit si, jak málo toho o vesmíru ještě víme. Pokud i vy rádi objevujete ty nejtemnější i nejvíce fascinující kouty moderní vědy a baví vás texty, které složité rovnice překládají do lidské řeči, budu moc rád za vaši podporu. Pomůže mi to tvořit další články o tajemstvích reality, nad kterými zůstává rozum stát. A nebojte se – aspoň pro dnešek je vesmír s největší pravděpodobností v bezpečí!