Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jeden z mnoha příspěvků k odhadované hodnotě energie prázdného prostoru pochází od Higgsova pole.
V roce 1998 astronomové studovali rychlost vzdalování velmi dalekých galaxií a učinili při tom revoluční objev: nejenže celý vesmír expanduje, ale činí tak se stále větší rychlostí. Rozpínání vesmíru se zrychluje. Galaxie se od nás i od sebe navzájem vzdalují, a jsou přitom rychlejší a rychlejší. Tento jev je v principu možné vysvětlit několika různými způsoby, ale jeden z nich je docela prostý a navíc skvěle vyhovuje dosud provedeným měřením: jde o energii vakua, kterou v roce 1917 zavedl Albert Einstein a nazval ji „kosmologická konstanta“.
Myšlenka vakuové energie spočívá v tom, že existuje přírodní konstanta, která nám říká, kolik energie může obsahovat určitý objem zcela prázdného prostoru. Pokud je tato hodnota nenulová (neexistuje však žádný principiální důvod, proč by taková měla být), bude tato energie způsobovat kosmické zrychlování: různé části vesmíru se od sebe budou čím dál rychleji vzdalovat. Za tento astronomický objev získali v roce 2010 Saul Perlmutter, Adam Riess a Brian Schmidt Nobelovu cenu.
Brian Schmidt byl můj kolega na vysoké škole a sdíleli jsme spolu stejnou pracovnu. V mé poslední knize Z věčnosti až sem vyprávím příběh naší vzájemné sázky, kterou jsme v oněch starých dobrých časech uzavřeli: Brian se domníval, že do dvaceti let nebudeme znát celkovou hustotu vesmíru, zatímco já jsem si byl jist, že ano. Z části i kvůli jeho odbornému úsilí dnes celkovou hustotu vesmíru se značnou dávkou jistoty už známe. Svou výhru jsem si vybral (šlo o malou láhev archivního portského) během dojemného ceremoniálu na střeše Quincy House na Harvardu v roce 2005. Následně se Brian, který je jedním z nejlepších astronomů světa ale i věčným pesimistou, se mnohou vsadil, že se nám na LHC nepodaří objevit Higgsův boson. Nedávno uznal, že také tuto sázkou prohrál. Oba jsme mezitím vyrostli a naše sázka tedy úměrně narostla: cena za Brianovu porážku spočívá v tom, že využije svůj nastřádaný účet častého uživatele letecké přepravy k tomu, abych ho mohli se svou ženou Jennifer navštívit v Austrálii. Může ho utěšovat alespoň to, že není ve špatné společnosti. Stephen Hawking se vsadil s Gordonem Kanem o 100 dolarů, že Higgs nebude objeven a i on uznal svou porážku.
Abychom objasnili nedávná pozorování astronomů, není potřeba nijak moc vakuové energie, stačí pouhá desetitisícina elektronvoltu v krychlovém centimetru. Stejně jako v případě hodnoty Higgsova pole můžeme učinit hrubý teoretický odhad, jak velká by energie vakua měla být. Dojeme se k číslu 10116 elektronvoltů v krychlovém centimetru. Což se od pozorované hodnoty liší faktorem 10120. Pro tak obrovské číslo nemáme ani žádný název. Problém hierarchie je opravdu vážný, ale problém energie vakua je ještě neporovnatelně horší.
Pochopit vakuovou energii patří mezi klíčové nevyřešené problémy dnešní fyziky. Jeden z mnoha příspěvků k odhadované hodnotě energie prázdného prostoru pochází od Higgsova pole, jež setrvává na velké nenulové hodnotě a může tedy nést spoustu (kladné anebo záporné) energie. Proto měl Phil Anderson obavy z toho, co dnes nazýváme Higgsův mechanizmus: obrovská hustota energie pole v prázdném prostoru je v rozporu s relativně nízkou hustotou energie, kterou prázdný prostor ve skutečnosti má. Dnes už to za argument proti Higgsově mechanizmu nepovažujeme z toho důvodu, že k energii vakua přispívá spousta dalších věcí, které jsou dokonce ještě větší. Problém je tedy mnohem hlubší a netýká se jenom Higgsova příspěvku.
Je také v principu možné, že vakuová energie je přesně nulová a že se vesmír zrychleně rozpíná vlivem energie jistého pole, které není konstantní, ale pomalu se zmenšuje. Tato myšlenka nese obecný název „temná energie“ a astronomové se ze všech sil snaží ji potvrdit anebo vyvrátit. Nejpopulárnější model temné energie předpokládá určitou formu skalárního pole, něco na způsob Higgsova pole, jen s neporovnatelně menší hmotností. Toto pole by pomalu zmenšovalo svou hodnotu energie k nule, ale trvalo by mu to miliardy let. Mezitím by se tato energie chovala jako temná energie. Byla by rovnoměrně rozprostřena napříč prostorem a v čase by se prakticky neměnila.
Higgsův boson, který jsme našli v LHC, s energií vakua přímo nesouvisí. Existuje ale nepřímé souvislosti. Dozvíme-li se o nich více, možná lepe pochopíme původ a podstatu energie vakua i to, proč je tak nepatrná a jestli se v čase může pomalu měnit. Je to běh na dlouhou trať, ale u tak závažného problému nám nic jiného než trpělivé úsilí ani nezbývá.
Pokračování a dokončení úryvku
Tento text je úryvkem z knihy:
Sean Carroll
Částice na konci vesmíru
Kterak nás honba za Higgsovým bosonem dovedla až na práh nového světa
Argo a Dokořán 2018
O knize na stránkách vydavatele
