Teorie falešného vakua: Může kvantová bublina zničit vesmír?
Existuje děsivá fyzika, o které se vědci baví doslova jen šeptem. Pokud by se totiž její předpoklady naplnily, mohlo by to vymazat všechny galaxie a život v našem vesmíru. Naštěstí se popsaný scénář jeví jako velmi nepravděpodobný.
Většina lidí zřejmě nikdy neslyšela o zhroucení falešného vakua, anglicky „false vacuum decay“, a nijak je tedy neznepokojuje. Pokud by k němu ovšem mimořádně nešťastnou souhrou okolností došlo, jednalo by se o největší a nejkrutější přírodní katastrofu ve vesmíru, kterou by nepřežilo doslova nic.
Děsivé události se v kosmu občas odehrají a mohly by postihnout i naši planetu, což už se ostatně v minulosti stalo. Když Zemi zasáhne asteroid, v závislosti na své velikosti vyhloubí kráter v poli, zničí celé město nebo třeba vymaže veškerý mnohobuněčný život. Blízká exploze supernovy či výtrysk gama záření by mohly zdevastovat ozonovou vrstvu a vystavit živé formy na dlouhé měsíce zničujícímu kosmickému záření. Ať už jsou však takové katastrofy jakkoliv strašlivé, určitě by po nich zůstala přinejmenším vesmírná suť, prach a plyn. Vždyť i při pohlcení černou dírou obvykle alespoň něco málo zbude.
Děsivější než kosmos
Zhroucení vakua představuje úplně jinou ligu. Jde řekněme o katastrofu na úrovni fyzikálních zákonů, která je založena na změně v povaze Higgsova pole – což je kvantové pole, jež zřejmě prostupuje celý vesmír. Chápeme-li správně souvislosti, mohlo by ke zhroucení vakua dojít kdekoliv a kdykoliv, zcela náhodně. V takovém případě by vznikla kvantová bublina destrukce, šířila by se do všech stran rychlostí světla a mazala by „z povrchu vesmírného“ naprosto vše, s čím by se setkala. Po veškeré hmotě by nezbylo nic.
Zřejmě by to nebylo nijak oslnivě dramatické. Bublina zhroucení falešného vakua jen mění fyzikální zákony, v důsledku čehož by už ovšem nemohla existovat hmota a samozřejmě ani život, jak ho známe. Naštěstí pro vesmír a přítomné živé formy fyzici zasvěceně tvrdí, že je pravděpodobnost takového jevu extrémně nízká.
Kosmos je obrovský, a pokud by k podobné události přece jen došlo, nejspíš by se tak stalo daleko od nás. Na druhou stranu pesimisté mohou situaci vidět tak, že už popsané zhroucení dávno nastalo, možná dokonce několikrát na různých místech, ale my o něm ještě nevíme. Odehrává se totiž v ohromné vzdálenosti a časem zřejmě zmizíme my i celá Země, Slunce a nejspíš také Mléčná dráha.
Vědci zmíněný scénář každopádně studují. Jeho teoretický výzkum může odkrýt pozoruhodné souvislosti světa kvantové mechaniky. Navíc by mohli odborníci uvedenou otázku rafinovaně otočit a namísto odhadování nebezpečí vzniku kvantové bubliny se ptát, proč stále existujeme a jak je možné, že nás zhroucení falešného vakua ještě nevymazalo.
Ne zcela prázdná nicota
Výraz vakuum vyvolává dojem úplně prázdného prostoru, v němž není nic. A zhroucení ničeho nezní příliš nebezpečně. Pro fyziky je však nicota poněkud relativní. Veškerá hmota, s níž se běžně setkáváme, se skládá z atomů, což si představíme vcelku snadno. Atomy ovšem sestávají z elementárních částic, které jsou vlastně zvlněním kvantových polí. Každé takové pole znamená něco jako nezměrný kontrolní panel s nespočtem přepínačů, jež určují pravděpodobnost výskytu částice: Většinou jsou vypnuté, ale když se zapnou, najednou se příslušná elementární částice objeví. Přepnutí spínače vyžaduje energii, kterou popisuje slavná Einsteinova rovnice E = mc², vyjadřující vztah mezi energií a hmotou. Tedy čím hmotnější částice, tím víc energie se musí vynaložit na přepnutí daného přepínače.
Máme-li na mysli úplně prázdný prostor čili vakuum, jsou v něm přepínače u většiny kvantových polí v popsaném příměru nastavené na nulu. Pozoruhodnou výjimku tvoří Higgsovo pole, které na nulu nastavit nelze. Jako by vesmír chtěl, aby i v prázdném prostoru zůstávala určitá míra „higgsovitosti“. Pohnout s přepínačem daného pole znamená ohromně těžký úkol: Je totiž speciální, protože určuje hmotnost částic – tedy to, jak obtížné je pohnout s jejich přepínači. V případě Higgsova pole se to povedlo až v roce 2012 na nejvýkonnějším částicovém experimentu světa, srážeči Large Hadron Collider v evropské organizaci CERN. Tehdy se fyzikům najednou zjevil dlouho očekávaný Higgsův boson.
Falešné údolí
Navyšování energie potřebné k přepnutí přepínače Higgsova pole si lze představit jako strkání balvanu do kopce z údolí. V případě Higgsova pole by šlo o hodně velký balvan. Od 70. let si fyzici pohrávají s představou, že metaforické údolí zmíněného pole nemusí být jediné a nemusí být ani nejhlubší možné. Pokud jich existuje víc, může se Higgsovo pole našeho vesmíru nacházet v jednom z těch mělčích. Nemusí představovat globální minimum, ale jen lokální, falešné minimum.
Pro Higgsovo pole by mělo být prakticky nemožné dostat se do jiných pomyslných údolí. V kvantové mechanice je ovšem výraz „nemožný“ poněkud ošemetný. Při kvantovém tunelování mohou hodnoty Higgsova pole náhodně poskakovat sem a tam. S určitou, byť nesmírně malou pravděpodobností by dané pole mohlo přeskočit až do dalšího, hlubšího údolí, čímž by došlo ke zhroucení falešného vakua a k nastolení jiného, možná toho „skutečného“. A protože Higgsovo pole vlastně drží pohromadě veškerou hmotu ve vesmíru, ta by v důsledku popsaných událostí zmizela.
Vědci si nejsou příliš jistí, co všechno by se mohlo stát, kdyby k takovému zhroucení falešného vakua došlo. Dle různých odhadů by vznikla možná jen nepatrná bublinka a zase by praskla. Pokud by ovšem začala růst, podle všeho rychlostí světla, byl by nejspíš osud okolního vesmíru zpečetěn.
Do objevu Higgsova bosonu šlo o velmi teoretický koncept. Nikdo neznal hmotnost zmíněného bosonu, nikdo si ani nebyl jistý, zda vůbec existuje, a nebylo jasné, jestli se vakuum může zhroutit. V roce 2012 se však situace změnila: Už víme, že Higgsův boson existuje a jakou má hmotnost, z čehož lze do jisté míry odhadnout pravděpodobnost zhroucení falešného vakua.
Můžeme klidně spát?
V roce 2017 fyzici spočítali, že existuje riziko asi jen 1 : 10⁶⁰⁶, že k nám v dohledné době dorazí kvantová bublina zhroucení falešného vakua – což představuje absurdní, nepředstavitelně nízkou pravděpodobnost. Pokud by si někdo vybral zcela libovolný atom ve vesmíru a nechal vás hádat, o který atom se jedná, šance, že se čirou náhodou trefíte, bude vyšší, než že dojde ke zhroucení vakua.
Nebyla by to ovšem kvantová mechanika, kdyby bylo všechno jisté. Uvedené výpočty zahrnují určitou míru nejistoty, což podobné odhady poněkud ztěžuje. Nové kalkulace z roku 2024, které zohlednily i hmotnost ostatních elementárních částic a síly, jež na ně působí, nicméně dospěly k ještě podstatně nižšímu riziku 1 : 10⁸⁶⁸.
Úplně za vodou nicméně nejsme. Ve hře totiž zůstává možnost, že pravděpodobnost vzniku kvantové bubliny ovlivňují i další faktory. Jako když do téměř vroucí vody nasypete špetku soli: Voda najednou začne na mnoha místech bublat a vařit. S kvantovými bublinami je to přitom možná podobné, jen potřebujete mnohem extravagantnější sůl: konkrétně černé díry.
Role černých děr
V roce 2015 dospěli Ruth Gregoryová a Philipp Burda z Durham University spolu s Ianem Mossem z Newcastle University k závěru, že černé díry mohou dramaticky zvýšit pravděpodobnost vakuové katastrofy, tak jako sůl ve vodě – ovšem nikoliv libovolné černé díry. Musely by být velice malé, i když ne tak malé, aby se okamžitě vypařily Hawkingovým zářením. Podle odborníků by uvedené katalyzující účinky na dramatickou tvorbu kvantových bublin měly černé díry o hmotnosti asi 28,35 gramu, což zhruba odpovídá vrchovaté lžíci soli. Vytvořit takový objekt by však bylo nepředstavitelně složité: Vyžadovalo by to stlačit uvedenou lžíci soli či odpovídající množství hmoty do prostoru menšího než proton. A to si dnes nelze představit nejen s nejpokročilejšími technickými možnostmi na Zemi, ale ani při extrémních jevech ve vesmíru.
Kdybychom se nicméně dostali k podmínkám panujícím krátce po Velkém třesku, situace by se změnila. V tehdejším ohromně exotickém prostředí dlouho před zrodem hvězd se mohly objevovat tzv. primordiální černé díry, které vznikají zhroucením velmi hustě koncentrované hmoty. Fyzici předpokládají, že mohly mít rozmanité rozměry, včetně velikostí vhodných právě pro urychlení tvorby kvantových bublin zhroucení vakua. Nebo se o něco větší primordiální černé díry mohly po čase do požadované velikosti zmenšit Hawkingovým zářením. Vědci po daných objektech pátrají především proto, že by mohly skýtat řešení problému s temnou hmotou. Doposud však neuspěli.
Recept na zhroucení vakua
V roce 2019 se Gregoryová spojila se dvěma americkými fyziky, De-Chang Daiem z Case Western Reserve University a Dejanem Stojkovicem z univerzity SUNY v Buffalu, aby společně zkoumali, jak by takové maličké černé díry mohly zničit vesmír. V současnosti není jasné, kolik by jich muselo být a v jaké hustotě, protože to úzce souvisí s rozpínáním kosmu, které samo o sobě představuje další zásadní záhadu dnešní astrofyziky.
Stojkovice a další vědce rovněž zajímalo, jak by se vlastně vesmírem pohybovala kvantová bublina zhroucení falešného vakua, která by vymazávala současnou realitu – jako když Nicota v Nekonečném příběhu požírá Říši fantazie. Stojkovic s kolegy zjistili, že v prázdném prostoru neboli v podstatě ve vakuu se bublina pohybuje rychlostí světla, ale při přiblížení k masivním objektům typu hvězd a planet zřejmě zpomalí.
Loni Stojkovic, Dai a vedoucí týmu Amartya Sengupta zveřejnili studii s výmluvným názvem The Signals of the Doomsday čili „signály soudného dne“, v níž popisují, jak bychom mohli odhalit, že nám bezprostředně hrozí vymazání zhroucením vakua. Vycházejí z toho, že by taková bublina vydávala záblesky záření, konkrétně neutrin a fotonů se specifickým spektrem.
Surfování na vlnách vesmíru
Indický teoretický fyzik Ashoke Sen z International Centre for Theoretical Sciences v Bengalúru nabízí řešení, které je sice v dnešní době zcela nepraktické a ještě dlouho zůstane velmi nereálné, ale v zásadě by mohlo alespoň pro část lidstva problém s kvantovou bublinou vyřešit. Jde o to, abychom se rozptýlili v kosmu na velké vzdálenosti. V takovém případě by nás totiž před kvantovou bublinou mohlo zachránit samotné jeho rozpínání. Dle toho, co víme, se vesmír rozpíná neustále a podle všeho jeho expanze zrychluje. Zřejmě ji pohání nadále velice záhadná temná energie, i když je situace asi složitější, než jsme si původně mysleli.
Vesmír se rozpíná rychleji a rychleji, dokonce natolik, že se odlehlé lokality od sebe vzdalují výslednou rychlostí překračující rychlost světla, aniž by tím ovšem porušily Einsteinovo základní pravidlo o nepřekročitelnosti světelné rychlosti. Podle Sena by se díky tomu mohla alespoň část lidí zachránit. Každopádně doufejme, že na popsané řešení nebudeme muset nikdy spoléhat.
