Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zásadní otázka samozřejmě zní: kde se vůbec Higgsovy částice vzaly? Odpověď doopravdy známa není, má se ale za to, že jde o pozůstatky takzvaného fázového přechodu, k němuž došlo někdy krátce po velkém třesku.
Jste-li trpěliví a budete sledovat sklo ve svém okně, až bude za zimního večera klesat teplota, uvidíte, jak se z vodní páry v nočním vzduchu jakoby kouzlem vynoří strukturovaná krása ledových krystalů. Přechod od vodní páry k ledu na studeném skle je fázový přechod – molekuly vody se samy přeuspořádají do ledových krystalů; jde o samovolné narušení symetrie beztvarého oblaku páry spuštěné poklesem teploty. Ledové krystaly se vytvoří proto, že je energeticky výhodnější to udělat. Právě tak jako se míč skutálí po svahu hory, aby dosáhl nižší energie v údolí, nebo jako se elektrony samy přeuspořádají okolo atomových jader, aby vytvořily vazby, které drží molekuly pohromadě, tak i sošná krása sněhové vločky je konfigurací vodních molekul o nižší energii než beztvarý oblak páry.
Domníváme se, že podobná věc se stala na počátku dějin vesmíru. Jak se horký plyn částic, které tvořily rodící se vesmír, rozpínal a chladl, vyšlo najevo, že vakuum bez higgsů je energeticky znevýhodněno a přirozeným stavem že je vakuum vyplněné Higgsovými částicemi. Tento proces se opravdu podobá tomu, jak se voda sráží za vzniku kapek nebo jak se na studeném skle tvoří led. Samovolný vznik vodních kapek, které se vysrážejí na skleněné tabulce, vytváří dojem, že se tyto kapky prostě jen tak vynořily z „ničeho“. A podobné je to s higgsy. V horkých fázích těsně po velkém třesku se vakuum hemžilo prchavými kvantovými fluktuacemi (oněmi smyčkami v našich Feynmanových diagramech), jak se částice a antičástice z ničeho nic vynořovaly a zase mizely. Jak vesmír vychládal, stalo se však něco zásadního a najednou – z ničeho nic, právě tak jako se na skle ukážou vodní kapky – se objevil „kondenzát“ Higgsových částic, které jejich vzájemné interakce drží pohromadě v pomíjivé suspenzi, jíž se šíří ostatní částice.
Představa, že vakuum je vyplněno látkou, naznačuje, že my i vše ostatní ve vesmíru prožíváme své životy uvnitř obrovského kondenzátu, který se během chladnutí vesmíru objevil právě tak, jako se ranní rosa objeví se svítáním. Abychom si snad nemysleli, že vakuum je zaplněno pouze v důsledku kondenzace Higgsových částic, měli bychom poznamenat, že vakuum je ještě složitější. Jak vesmír chladl dále, zkondenzovaly také kvarky a gluony a vytvořily to, co je celkem přirozeně známo jako kvarkové a gluonové kondenzáty. Jejich existence je dobře doložena pokusy a hrají velmi důležitou roli v našem chápání silné jaderné interakce. Vlastně právě tato kondenzace dala vzniknout naprosté většině hmotnosti protonů a neutronů. Higgsovo vakuum je však odpovědné za původ pozorovaných hmotností elementárních částic – kvarků, elektronů, mionů, tauonů a částic W a Z. Kondenzace kvarků se uplatní jako vysvětlení toho, co se stane, když se spojí shluk kvarků, aby vytvořil proton nebo neutron. Zajímavé je, že zatímco Higgsův mechanismus je poměrně nedůležitý, co se týče vysvětlení hmotnosti protonů, neutronů a těžších atomových jader, opak je pravdou, když přijde na vysvětlení hmotnosti částic W a Z. U nich by kondenzace kvarků a gluonů dávala bez Higgsovy částice hmotnost okolo 1 GeV, ale jejich experimentálně naměřené hmotnosti se blíží stonásobku této hodnoty. LHC byl zkonstruován tak, aby pracoval v oblasti energií W a Z, kde může zkoumat mechanismus odpovědný za jejich poměrně velké hmotnosti. Zda jde o dychtivě očekávanou Higgsovu částici, nebo o něco, o čem se nám doposud ani nesnilo, ukáže teprve čas a srážky částic.
Doplňme si k tomu všemu pár poněkud překvapivých číselných údajů: energie v jednom metru krychlovém prázdného prostoru daná kondenzací kvarků a gluonů činí ohromujících 10 na 35 joulů, ale energie daná Higgsovou kondenzací je ještě stokrát větší. Dohromady jde o energii, kterou naše Slunce vyprodukuje za 1 000 let. Abychom byli přesní, jde o „zápornou“ energii, protože vakuum má nižší energii než vesmír neobsahující vůbec žádné částice. Záporná energie vzniká kvůli vazebné energii spojené se vznikem kondenzátů a sama o sobě záhadná není. Není o nic víc fascinující než skutečnost, že abyste uvařili vodu (a otočili fázový přechod od páry ke kapalině), musíte jí dodat energii.
Záhadné je však to, že takto velká záporná hustota energie v každém kubickém metru prázdného prostoru by měla, bereme-li ji za danou, vyvolávat tak zničující rozpínání vesmíru, že by nikdy nevznikly žádné hvězdy ani lidé. Vesmír by sám sebe doslova roztrhal jen chviličku po velkém třesku. To se stane, vezmeme-li předpovědi ohledně kondenzace vakua z částicové fyziky a dosadíme je přímo do Einsteinových rovnic gravitace, které použijeme na vesmír jako celek. Tento nepříjemný rébus je znám pod jménem problém kosmologické konstanty a zůstává jedním z ústředních problémů základní fyziky.
Tento text je úryvkem z knihy
Brian Cox a Jeff Forshaw: Kvantový vesmír – Vše, co se stát může, se také stane
Argo a Dokořán 2014
O knize na stránkách vydavatele
