Anul trecut, pe 4 iulie, experimentele de la Marele Accelerator de Hadroni (LHC) au descoperit bosonul Higgs. A fost o zi istorică. Nu există dubiu că de acum înainte, 4 iulie va fi amintit nu ca ziua declarației de independență, ci ca ziua descoperirii bosonului Higgs. Sau cel puțin aici la Centrul European de Cercetări Nucleare (CERN).
<iframe src="https://embed.ted.com/talks/lang/ro/gian_giudice_why_our_universe_might_exist_on_a_knife_edge.html" width="640" height="360" frameborder="0" scrolling="no" webkitAllowFullScreen mozallowfullscreen allowFullScreen></iframe>
Pentru mine, cea mai mare surpriză a zilei era că nu a fost mare surpriză. În ochii unui fizician teoretician, bosonul Higgs este o explicație inteligentă despre cum câștigă masă câteva particule elementare, dar pare a fi o soluție nesatisfăcătoare și incompletă. Prea multe întrebări rămân fără răspuns. Bosonul Higgs nu prezintă frumusețea, simetria, eleganța, celorlalte particule elementare din lume. Din acest motive, majoritatea fizicienilor teoreticieni cred că bosonul nu poate fi istoria completă. Ne așteptam ca particule și fenomene noi să acompanieze bosonul Higgs. Până acum măsurătorile de la LHC nu demonstrează existența unor noi particule sau a unor fenomene neașteptate.
Desigur că verdictul nu e final. În 2015, LHC va dubla energia protonilor care se vor ciocni, și aceste coliziuni mai puternice ne vor permite să explorăm mai mult lumea particulelor, și cu siguranță vom afla mai multe.
Pentru moment, câtă vreme nu am găsit nicio dovadă a existenței de fenomene noi, să presupunem că particulele pe care le cunoaștem astăzi, incluzând bosonul Higgs, sunt singurele particule elementare din natură, până și la energii mai mari decât cele pe care le-am explorat până acum. Să vedem unde ne conduce ipoteza asta. Vom găsi oare un rezultat surprinzător și intrigant despre universul nostru, și ca să vă explic la ce mă refer permiteți-mi să vă spun ce este Higgs. Pentru asta, să ne întoarcem la o zecime din bilionul de secundă după Big Bang. Conform teoriei Higgs, în acel moment s-a petrecut un eveniment dramatic în univers. Spațiul-timp a suferit o fază de tranziție. Era ceva similar cu faza de tranziție care se întâmplă când apa se transformă în gheață la sub zero grade. În cazul nostru, faza de tranziție nu e o schimbare în aranjamentul moleculelor în interiorul materiei, ci o schimbare a țesăturii spațiului-timp.
În această faze de tranziție, spațiul gol s-a umplut cu o substanță pe care noi o numim acum câmpul Higgs. Acestă substanță poate ne este invizibilă, dar ea are o realitate fizică Ne înconjoară tot timpul, exact ca aerul pe care îl respirăm în această sală. Și unele particule elementare interacționează cu acestă substanță, acumulând energie în timpul procesului. Acestă energie interioară e ceea ce numim masa unei particule, Descoperind bosonul Higgs, LHC a demonstrat că această substanța e reală. pentru că e materialul din care sunt făcuți bosonii Higgs. Asta-i în câteva cuvinte esența poveștii Higgs.
Dar povestea e mult mai interesantă decât atât. Studiind teoria Higgs, fizicienii au descoperit, nu printr-un experiment, ci cu ajutorul matematicii, că acest câmp Higgs nu există numai în forma pe care o vedem astăzi. Așa cum materia poate fi lichidă sau solidă, așa și câmpul Higgs, substanța care cuprinde tot spațiul-timp poate exista în două stări. În afara stării Higgs cunoscute, ar putea exista o a doua stare în care câmpul Higgs e de multe miliarde de ori mai dens decât ceea ce vedem astăzi. Simpla existență a celei de-a doua stări a câmpului Higgs posedă o potențială problemă. Asta deoarece conform legilor mecanicii cuantice, este posibil să existe tranziții între cele două stări, chiar și în prezența unei bariere de energie care separă cele doua stări, iar acest fenomen e denumit, penetrare cuantică. Din cauza penetrăriii cuantice, aș putea să dispar din această încăpere și să reapar în următoarea încăpere, prin penetrarea peretelui. Dar nu vă așteptați chiar să fac acest truc în fața voastră pentru că probabilitatea de-a penetra acest perete e incredibil de mică. Ar trebui să așteptați foarte mult timp înainte să se întâmple, dar credeți-mă, penetrarea cuantică e un fenomen real, și a fost observat în multe sisteme. De exemplu, dioda Esaki, o componentă folosită în electronice, funcționează datorită minunăției de penetrare cuantică.
Dar să ne întoarcem la câmpul Higgs. Dacă starea supra-densă există, atunci datorită penetrării cuantice, o bulă din această stare ar putea să apară deodată într-un anumit loc din univers la un moment dat, similar cu ceea ce se întâmplă când fierbi apă. Bule de vapori se formează în apă, se extind transformând lichidul în gaz. În același mod, o bulă din starea supra-densă Higgs ar putea să apară datorită penetrării cuantice. Bula s-ar extinde atunci cu viteza luminii, cuprinzând tot spațiul și transformând câmpul Higgs din starea familiară într-o nouă stare.
Este asta o problemă? Da, e o problemă mare. Poate că nu ne dăm seama de asta în viața obișnuită, dar intensitatea câmpului Higgs e critică pentru structura materiei. Dacă acest câmp Higgs ar fi mai intens, am vedea atomi micșorându-se, neutroni descompunându-se în interiorul nucleilor atomici, nuclee dezintegrându-se, și hidrogenul ar fi singurul element chimic posibil din univers. Câmpul Higgs, în starea supra-densă, nu e doar de câteva ori mai dens decât acum, ci de milarde de ori, și dacă spațiul-timp ar fi cuprins de starea Higgs, toată materia atomică s-ar nărui. Nicio structură moleculară n-ar fi posibilă, nicio viață.
Mă întreb, ar fi posibil ca în viitor, câmpul Higgs să sufere o fază de tranziție și prin penetrarea cuantică să se transforme într-o stare supra-densă? Cu alte cuvinte, mă întreb care-i soarta câmpului Higgs în universul nostru? Elementul crucial necesar pentru a răspunde la acestă întrebare e masa bosonului Higgs. Experimentele de la MAC au descoperit că masa bosonului Higgs este de 126 GeV. E minuscul dacă e reprezentat în unități cunoscute, este egal cu 10 la minus 22 de grame, dar e mare în unitățile fizicii subatomice. Raportul e comparativ cu o întreagă moleculă ADN față de alte molecule.
Având acestă informație de la LHC, împreună cu câțiva colegi de de la CERN, am calculat probabilitatea cu care universul nostru ar putea trece cuantic într-o stare supra-densă Higgs, și am descoperit un rezultat surprinzător. Calculele noastre au arătat că valoarea măsurată a masei bosonului Higgs este deosebită. Are exact valoarea necesară ca să țină universul într-o stare instabilă. Câmpul Higgs se află într-o configurație instabilă care a durat până acum, dar care într-un final se va nărui. Conform acestor calcule, suntem ca sezoniștii care și-au întins din greșeală corturile la marginea prăpastiei. Până la urmă câmpul Higgs va suferi o fază de tranziție și materia se va prăbuși în ea însăși.
Așa oare va dispărea umanitatea? Nu prea cred. Calculele noastre ne arată că penetrarea cuantică a câmpului Higgs nu este posibilă în următorii 10 la puterea 100 de ani, și asta înseamnă mult. E mai mult decât o să ia Italiei să formeze un guvern stabil.
Dar vom fi dispăruți până atunci. În 5 miliarde de ani, soarele nostru va deveni un gigant roșu, mare cît orbita Pământului, iar Pământul nostru va fi distrus, și într-o mie de miliarde de ani, dacă energia neagră va continua să alimenteze expansiunea spațiului la viteza actuală, nu veți mai putea vedea nici degetele de la picioare, pentru că totul în jurul vostru se extinde la o viteză mai mare decât viteza luminii. E foarte improbabil să mai fim aici să vedem câmpul Higgs năruindu-se.
Motivul pentru care sunt interesat de tranziția câmpului Higgs este pentru că vreau să adresez întrebarea, de ce masa bosonului Higgs e atât de specială? De ce este tocmai potrivită ca să țină universul la limita fazei de tranziției? Fizicienii teoreticieni întotdeauna își pun întrebarea „de ce?” Mai mult decât cum funcționează un fenomen, fizicienii teoreticieni sunt întotdeauna interesați de de ce un fenomen funcționează în acel mod. Ne gândim că aceste întrebări „de ce?” ne pot da indicii despre legile fundamentale ale naturii. Un posibil răspuns la întrebarea mea deschide universuri noi. S-a speculat că universul nostru e doar o bulă dintr-un multivers format dintr-o multitudine de bule, și că fiecare bulă e un univers diferit cu diferite constante fundamentale și diferite legi fizice. În acest context putem doar să vorbim despre probabilitatea de a găsi o valoare anume a masei Higgs. Atunci cheia către mister ar putea sta în proprietățile statistice ale multiversului. Ar fi ceva asemănător cu ceea ce se întămplă cu dunele de nisip de pe plajă. În principiu, ar putea exista dune de nisip în orice înclinație a unghiului de pe plajă, și totuși înclinațiile unghiului dunelor de nisip sunt de obicei în jur de 30, 35 de grade. Motivul e unul simplu: vântul adună nisipul, gravitația îl face să cadă. Ca rezultat, majoritatea dunelor de nisip au înclinațiile unghiurilor în jurul valorii critice, aproape de prăbușire. Și ceva similar s-ar putea întâmpla cu masa bosonului Higgs în multivers. În majoritatea bulelor din univers, masa Higgs ar putea fi la valoarea critică, aproape de prăbușirea cosmică a câmpului Higgs, din cauza celor două efecte concurente, exact ca în cazul nisipului.
Povestea mea nu are sfârșit, pentru ca încă nu știm sfârșitul poveștii. Știința progresează, și ca să aflăm misterul, avem nevoie de mai multă informație, și să sperăm că LHC ne va da noi indicii asupra acestei povești. Doar un număr, masa bosonului Higgs, și totuși cu acest număr aflăm atât de multe. Am pornit de la ipoteza că particulele cunoscute există toate acolo în univers, chiar mai departe de domeniul explorat până acum. De aici, am descoperit că acest câmp Higgs ce cuprinde spațiul-timp e posibil să fie pe muchie de cuțit, gata de o prăbușire cosmică, și am descoperit că ăsta poate fi un indiciu ca universul nostru e doar un grăunte de nisip pe o plajă imensă, multiversul.
Dar nu știu dacă teoria mea e corectă. Cam așa lucrează fizic: O singură măsurătoare ne poate duce pe calea unei noi înțelegeri a universului sau ne poate trimite către un punct mort. Dar orice se dovedește a fi de un lucru sunt sigur. Călătoria va fi una plină de surprize.
