6 miesięcy temu

Czy te dwie „niebezpieczne” liczby wróżą koniec fizyki?

Dwie „niebezpieczne” liczby, które mogą świadczyć o końcu naszego poznania kosmosu.

koniec-fizyki

W sto lat po ogłoszeniu teorii względności, rewolucjonizującej nasze zrozumienie wszechświata, stajemy obecnie przed kolejnym punktem zwrotnym w fizyce. Czy będziemy w stanie dalej rozwijać naszą wiedzę na temat kosmosu, czy dotarliśmy do jej martwego punktu?

„Kolejne lata pokażą, czy będziemy dalej w stanie kontynuować wzrost naszej wiedzy na temat natury, czy zetkniemy się z pytaniami, na które nie będziemy już w stanie odpowiedzieć” stwierdził fizyk cząsteczkowy Harry Cliff podczas spotkania TED Talk w Genewie.

Jak stwierdził kolejne odkrycia będą już być może niemożliwe „nie dlatego, że nie dysponujemy urządzeniami lub zdolnościami umysłowymi od ich poznania, ale dlatego, że ograniczają je same prawa fizyki”.

W centrum jego argumentacji znalazły się „dwie niebezpieczne liczby”, odpowiedzialne za powstanie całej materii, struktur i życia jakiego jesteśmy świadkami w kosmosie.

„Gdyby wartości tych liczby były minimalnie inne, kosmos byłyby pustym, martwym miejscem”.

1. Siła pola Higgsa

CMS_Higgs-event

Komputerowa symulacja zderzenie dwóch cząsteczek Higgsa. Autor Lucas Taylor, Wikimedia Commons

Pierwsze z tych dwóch liczb to wartość określająca siłę pola Higgsa.

Pole Higgsa to niewidzialne pole energii, podobne nieco w swoich założeniach do znanych nam pól magnetycznych. Jest obecne w całym kosmosie, wszędzie z tą samą wartością. Cząsteczki przemieszczając się w polu uzyskują masę, by finalnie stać się protonami, neutronami czy elektronami tworzącymi atomy.

Istnieje jedna coś niepokojącego w polu Higgsa. Według założeń powinno ono funkcjonować w jednym z dwóch możliwych stanów „włączone” lub „wyłączone”.

„Wyłączone” oznaczałoby, że miałoby ono siłę na poziomie zerowym i nie byłoby w stanie nadawać cząsteczkom masy. Gdyby było „włączone” zgodnie z założeniami teorii kwantowej wartość siły pola powinna być niewyobrażalnie ogromna. Jednak żadnego z tych dwóch scenariuszy nie zaobserwowaliśmy do tej pory.

„W rzeczywistości pole Higgsa jest tylko minimalnie włączone. Nie ma wartości zero, ale jest dziesięć tysięcy bilionów razy słabsze niż wartość aktywnego pola. To jak włącznik światła, który się zaciął tuż przed włączeniem. I ta wartość jest kluczowa. Gdyby była minimalnie inna nie byłoby żadnych struktur fizycznych we wszechświecie” wyjaśnia Cliff.

Do rozwiązania zagadki takiego stanu rzeczy fizycy opracowali wiele różnych teorii, aby udowodnić prawdziwość którejkolwiek z nich konieczne byłoby jednak wykrycie nowych cząstek elementarnych.

„Poza boznem Higgsa nie udało nam się jednak do tej pory wykryć niczego innego”.

2. Siła ciemnej energii

Druga niebezpieczna liczba, jaką wskazał naukowiec jest tym, co fizycy nazywają „najgorszym przewidywaniem teoretycznym w historii fizyki”. To liczba związana jest z najodleglejszymi przestrzeniami wszechświata i najbardziej nurtującymi tajemnicami kosmosu – ciemną energią.

Czym dokładnie jest ciemna energia fizycy dokładnie nie wiedzą, ale zakłada się, że jest ona odpowiedzialna za ciągłe i przyśpieszające rozciąganie się kosmosu. Najprostszym wyjaśnieniem jest powiedzieć, że jest to energia pustej przestrzeni.

Co jest niepokojącego w tej liczbie?

„Ciemna energia powinna być miliardy razy silniejsza niż wartości, które obserwujemy w astronomii (wartość tą można wyrazić za pomocą liczy 100 z dwudziestoma zerami). Ta liczba po prostu nie mieści się w głowie – jest tysiąc bilionów bilonów razy większa niż liczba atomów we wszechświecie. Powinna być większa niż jakiekolwiek obserwowane przez nas wartości w kosmosie. I to jest właśnie to najgorsze przewidywanie”.

Gdyby ciemna energia osiągała tę wartość, zgodnie z obecnymi założeniami teoretycznymi, jej siła byłaby tak duża, że dosłownie rozerwałaby nasz wszechświat. Podstawowe siły wiążące ze sobą atomy byłyby kompletnie bezsilne w obliczu tej mocy, wobec czego nigdy nie powstałoby życie, gwiazdy ani galaktyki.

Szczęśliwie dla nas jak się okazuje teoretyczne przewidywania nie są zgodne z naszymi doświadczeniami empirycznymi.

Harry Cliff na konferencji TED Talk

Harry Cliff na konferencji TED Talk

Dlaczego ma to znaczenie?

Dlaczego wartości tych dwóch sił są odmienne od zakładanych przez nasze modele fizyczne? Od dekad fizycy teoretyczni głowią się nad sposobem pogodzenia dwóch znanych nam teorii opisujących nasz wszechświat – mechaniki kwantowej, odnoszącej się do świata cząstek elementarnych i teorii względności opisującej funkcjonowanie makro struktur.

Jednak prawa rządzące w jednej są nie kompatybilne z drugą. Jedną z teorii, która godzi te sprzeczności jest koncepcja strun.

Zakłada ona możliwość istnienia multiuniwesów – wszechświatów z innymi prawami fizyki. Gdyby udało się jakoś potwierdzić, że nasz wszechświat jest tylko jednym z tysięcy innych kosmosów, bylibyśmy w stanie zrozumieć te dziwne wartości funkcjonujące w naszym wszechświecie.

„Zgodnie z teorią strun w innych wszechświatach ciemna energia jest tak silna, że wszechświaty rozpadały by się, a pole Higgsa tak słabe, że nie mogłyby uformować się żadne atomy. My natomiast istniejemy w tym wszechświecie, gdzie wartości tę są w sam raz na zaistnienie czegoś”.

Teoria ta jednak zakłada pewne ograniczenie – nie będziemy w stanie nigdy zbadać tych innych wszechświatów, ponieważ nie będziemy w stanie mieć do ich dostępu.

„Możemy wkraczać w nową erę fizyki – obserwacji dziwnych zjawisk, których nigdy nie będziemy w stanie wyjaśnić. Erę w której będziemy jedynie odbierać pewne wskazówki, że żyjemy w multiuniwersie, będącym co frustrujące, poza naszym zasięgiem. Epoki w której nigdy nie będziemy zdolni do udzielenia odpowiedzi na pytania dlaczego coś istnieje”.

„Jeśli w przeciągu dwóch najbliższych lat niczego nowego nie odkryjemy dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hardonów, będzie to mogło oznaczać, że dotarliśmy do granic naszego poznania. Oznaczałoby to koniec rozwoju fizyki” mówi Cliff.