Sólin Sólin Rís 08:40 • sest 17:43 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 17:29 • Sest 20:17 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 10:20 • Síðdegis: 22:52 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 03:52 • Síðdegis: 16:42 í Reykjavík

Ætti ég að hafa áhyggjur af tilviljanakenndri hrörnun Higgs-sviðsins?

Friðrik Freyr Gautason

Upprunalega spurningin var:

Það er ný kenning sem hræðir mig um false vacuum, er það satt eða ósatt?

Hrörnun svonefnds Higgs-sviðs einhvers staðar í alheiminum hefði í för með sér að örsmátt, nærri kúlulaga svæði myndi stækka á ljóshraða í allar áttir. Þessi kúla myndi taka yfir sólkerfi okkar á nokkrum klukkutímum og gleypa jörðina á aðeins nokkrum sekúndum. En er einhver ástæða til að óttast að þetta gerist í náinni framtíð?

Þann 4. júlí árið 2012 tilkynntu eðlisfræðingar við CERN-rannsóknarstöðina að þeir hefðu uppgötvað hina svokölluðu Higgseind eða Higgs-bóseind í tilraunum í sterkeindahraðlinum í rannsóknastöð CERN. Higgseindin var seinasta öreindin í hinu viðtekna líkani öreindafræðinnar (e. the standard model) til að sjást í tilraunum. Þessi uppgötvun varð til þess að skoski eðlisfræðingurinn Peter Higgs (f. 1929) og belgíski eðlisfræðingurinn François Englert (f. 1932) hlutu Nóbelsverðlaunin árið 2013 fyrir að hafa spáð fyrir um tilvist eindarinnar 49 árum fyrr. Það gerðu þeir ásamt belgíska eðlisfræðingnum Robert Brout (1928-2011) sem lést áður en verðlaunin voru veitt.

Það vill svo til að viðtekna líkanið, sem lýsir eiginleikum og víxlverkunum allra öreinda í náttúrunni, er ófullkomið án Higgseindarinnar. Ástæðan er sú að líkanið gengur ekki upp nema allar öreindirnar sem það lýsir séu massalausar. Við vitum hins vegar fullvel að rafeindin, kvarkarnir (byggingareiningar róteinda og nifteinda), sem og aðrar öreindir í líkaninu eru ekki massalausar. Annað hvort þurfti því Higgseindin að finnast í tilraunum og þannig útskýra massa öreindanna, eða viðtekna líkanið var ófullkomið og hreinlega rangt. Sem betur fer fannst Higgseindin.

Allar öreindir í viðtekna líkaninu eru eins og áður segir massalausar. Þær öðlast massa sinn fyrir tilvist Higgs-sviðsins sem er frábrugðið núlli. Það er að segja hvar sem er í alheiminum hefur Higgs-sviðið gildi sem er ekki núll vegna þess að orkan í sviðinu er lágmörkuð þar (sjá mynd 1). Víxlverkanir Higgs-sviðsins við aðrar öreindir í viðtekna líkaninu valda því að rafeindin og aðrar öreindir hafa massa. Higgseindina sjálfa má hugsa sér sem litlar sveiflur í Higgs-sviðinu í kringum gildið sem það tekur. Higgs-sviðið og Higgseindin eru að þessu leiti óaðskiljanlegar.

Mynd 1: Mættisorka í Higgs-sviðinu er lágmörkuð til hægri eða vinstri. Á miðri myndinni, þar sem Higgs-sviðið er núll, er orkan ekki lágmörkuð.

Ef hægt væri með einhverjum hætti að hliðra gildinu á Higgs-sviðinu, myndu allar eindir í viðtekna líkaninu finna áhrifin. Massi rafeindarinnar, kvarkanna, og þar með róteindarinnar og nifteindarinnar myndi þá vera allt annar en hann er í raun. Massi atómanna myndi því líka breytast. Öll efnafræðin myndi verða fyrir áhrifum og efnasambönd sem áður voru stöðug væru það ekki lengur. Áhrifin yrðu svo flókin og margslungin að ómögulegt er að spá fyrir nákvæmlega hvað myndi gerast. Eitt er hins vegar víst að áhrifin væru hvorki góð fyrir líf á jörðinni né hugsanlegt líf annars staðar í alheimi.

Það er þó þannig að eftir því sem massi Higgs-eindarinnar (og annarra einda viðtekna líkansins) er mældur með meiri nákvæmni, bendir margt til þess að mættisorka Higgs-sviðsins sé ekki í algjöru lágmarki þar sem það situr núna. Í staðinn er enn dýpri dalur í mættinu við hærra gildi á Higgs-sviðinu (sjá mynd 2). Í skammtafræði er ástandið sem Higgs-sviðið er í núna kallað hálfstöðugt eða falskt grunnástand (e. metastable groundstate, false vacuum). Ástæðan er sú að raunverulegt grunnástand er það ástand sem hefur allra lægstu orkuna. Þetta þýðir að ef við gætum með einhverjum hætti sveiflað Higgs-sviðinu svo kröftuglega að það rúlli yfir hæðina og ofan í næsta dal, þá verða afleiðingarnar, eins og áður hefur komið fram, ekki góðar. Auðvitað getum við jarðarbúar ekki hæglega sveiflað Higgs-sviðinu svo rækilega. En þar sem hiti er mjög mikill sveiflast öll skammtasvið til og frá. Ef hitinn væri nægur, gæti það endað með því að Higgs-sviðið félli ofan í sitt raunverulega grunnástand. Það er þó ekki líklegt að svo mikill hiti geti myndast í náttúrunni.

Mynd 2: Raunverulegt grunnástand Higgs-sviðsins er hægra megin við hálfstöðuga grunnástandið þar sem það situr núna.

Ef Higgs-sviðið fylgdi sígildri aflfræði Newtons, væri öll sagan sögð. Higgs-sviðið sæti einfaldlega í sínu hálfstöðuga ástandi um ókomna framtíð. Sagan er hins vegar ekki öll þar sem Higgs-sviðið fylgir reglum skammtafræðinnar. Í skammtafræði geta hálfstöðug ástönd hrörnað tilviljanakennt í grunnástöndin. Þetta er einmitt það sem gerist í geislavirkum samsætum. Svonefnd alfa-hrörnun á sér til dæmis stað vegna þess að alfa-ögnin situr í hálfstöðugu ástandi innan kjarnans og smýgur tilviljunarkennt í gegnum mættisvegginn og veldur hrörnun kjarnans (sjá mynd 3). Líftími geislavirkra kjarna ræðst af lögun mættisveggjarins sem liggur á milli falska og raunverulega grunnástandsins.

Mynd 3: Mættisorka alfa-kjarna í geslavirkri samsætu. Samsætan hrörnar og alfa-kjarninn losnar frá samsætunni þegar hann smýgur í gegnum mættisvegginn.

Ef Higgs-sviðið myndi hrörna tilviljanakennt af völdum skammtaáhrifa einhvers staðar í alheiminum myndi verða til örsmátt um það bil kúlulaga svæði þar sem Higgs-sviðið væri í grunnástandinu. Þetta svæði myndi stækka á ljóshraða í allar áttir uns Higgs-sviðið væri alls staðar í grunnástandinu. Þessi kúla myndi taka yfir sólkerfi okkar á nokkrum klukkutímum og gleypa jörðina á aðeins nokkrum sekúndum. Við myndum því að öllum líkindum ekki vita fyrirfram hvað væri í vændum. Sem betur fer má áætla að þetta gerist ekki á næstu 10100 árum, og því er engin ástæða til þess að hræðast hrörnun Higgs-sviðsins.

Myndir:
  • Höfundur svarsins gerði allar myndirnar.

Höfundur

Friðrik Freyr Gautason

eðlisfræðingur

Útgáfudagur

24.9.2020

Spyrjandi

Sunna Björk

Tilvísun

Friðrik Freyr Gautason. „Ætti ég að hafa áhyggjur af tilviljanakenndri hrörnun Higgs-sviðsins?“ Vísindavefurinn, 24. september 2020. Sótt 22. október 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79669.

Friðrik Freyr Gautason. (2020, 24. september). Ætti ég að hafa áhyggjur af tilviljanakenndri hrörnun Higgs-sviðsins? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=79669

Friðrik Freyr Gautason. „Ætti ég að hafa áhyggjur af tilviljanakenndri hrörnun Higgs-sviðsins?“ Vísindavefurinn. 24. sep. 2020. Vefsíða. 22. okt. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=79669>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Ætti ég að hafa áhyggjur af tilviljanakenndri hrörnun Higgs-sviðsins?
Upprunalega spurningin var:

Það er ný kenning sem hræðir mig um false vacuum, er það satt eða ósatt?

Hrörnun svonefnds Higgs-sviðs einhvers staðar í alheiminum hefði í för með sér að örsmátt, nærri kúlulaga svæði myndi stækka á ljóshraða í allar áttir. Þessi kúla myndi taka yfir sólkerfi okkar á nokkrum klukkutímum og gleypa jörðina á aðeins nokkrum sekúndum. En er einhver ástæða til að óttast að þetta gerist í náinni framtíð?

Þann 4. júlí árið 2012 tilkynntu eðlisfræðingar við CERN-rannsóknarstöðina að þeir hefðu uppgötvað hina svokölluðu Higgseind eða Higgs-bóseind í tilraunum í sterkeindahraðlinum í rannsóknastöð CERN. Higgseindin var seinasta öreindin í hinu viðtekna líkani öreindafræðinnar (e. the standard model) til að sjást í tilraunum. Þessi uppgötvun varð til þess að skoski eðlisfræðingurinn Peter Higgs (f. 1929) og belgíski eðlisfræðingurinn François Englert (f. 1932) hlutu Nóbelsverðlaunin árið 2013 fyrir að hafa spáð fyrir um tilvist eindarinnar 49 árum fyrr. Það gerðu þeir ásamt belgíska eðlisfræðingnum Robert Brout (1928-2011) sem lést áður en verðlaunin voru veitt.

Það vill svo til að viðtekna líkanið, sem lýsir eiginleikum og víxlverkunum allra öreinda í náttúrunni, er ófullkomið án Higgseindarinnar. Ástæðan er sú að líkanið gengur ekki upp nema allar öreindirnar sem það lýsir séu massalausar. Við vitum hins vegar fullvel að rafeindin, kvarkarnir (byggingareiningar róteinda og nifteinda), sem og aðrar öreindir í líkaninu eru ekki massalausar. Annað hvort þurfti því Higgseindin að finnast í tilraunum og þannig útskýra massa öreindanna, eða viðtekna líkanið var ófullkomið og hreinlega rangt. Sem betur fer fannst Higgseindin.

Allar öreindir í viðtekna líkaninu eru eins og áður segir massalausar. Þær öðlast massa sinn fyrir tilvist Higgs-sviðsins sem er frábrugðið núlli. Það er að segja hvar sem er í alheiminum hefur Higgs-sviðið gildi sem er ekki núll vegna þess að orkan í sviðinu er lágmörkuð þar (sjá mynd 1). Víxlverkanir Higgs-sviðsins við aðrar öreindir í viðtekna líkaninu valda því að rafeindin og aðrar öreindir hafa massa. Higgseindina sjálfa má hugsa sér sem litlar sveiflur í Higgs-sviðinu í kringum gildið sem það tekur. Higgs-sviðið og Higgseindin eru að þessu leiti óaðskiljanlegar.

Mynd 1: Mættisorka í Higgs-sviðinu er lágmörkuð til hægri eða vinstri. Á miðri myndinni, þar sem Higgs-sviðið er núll, er orkan ekki lágmörkuð.

Ef hægt væri með einhverjum hætti að hliðra gildinu á Higgs-sviðinu, myndu allar eindir í viðtekna líkaninu finna áhrifin. Massi rafeindarinnar, kvarkanna, og þar með róteindarinnar og nifteindarinnar myndi þá vera allt annar en hann er í raun. Massi atómanna myndi því líka breytast. Öll efnafræðin myndi verða fyrir áhrifum og efnasambönd sem áður voru stöðug væru það ekki lengur. Áhrifin yrðu svo flókin og margslungin að ómögulegt er að spá fyrir nákvæmlega hvað myndi gerast. Eitt er hins vegar víst að áhrifin væru hvorki góð fyrir líf á jörðinni né hugsanlegt líf annars staðar í alheimi.

Það er þó þannig að eftir því sem massi Higgs-eindarinnar (og annarra einda viðtekna líkansins) er mældur með meiri nákvæmni, bendir margt til þess að mættisorka Higgs-sviðsins sé ekki í algjöru lágmarki þar sem það situr núna. Í staðinn er enn dýpri dalur í mættinu við hærra gildi á Higgs-sviðinu (sjá mynd 2). Í skammtafræði er ástandið sem Higgs-sviðið er í núna kallað hálfstöðugt eða falskt grunnástand (e. metastable groundstate, false vacuum). Ástæðan er sú að raunverulegt grunnástand er það ástand sem hefur allra lægstu orkuna. Þetta þýðir að ef við gætum með einhverjum hætti sveiflað Higgs-sviðinu svo kröftuglega að það rúlli yfir hæðina og ofan í næsta dal, þá verða afleiðingarnar, eins og áður hefur komið fram, ekki góðar. Auðvitað getum við jarðarbúar ekki hæglega sveiflað Higgs-sviðinu svo rækilega. En þar sem hiti er mjög mikill sveiflast öll skammtasvið til og frá. Ef hitinn væri nægur, gæti það endað með því að Higgs-sviðið félli ofan í sitt raunverulega grunnástand. Það er þó ekki líklegt að svo mikill hiti geti myndast í náttúrunni.

Mynd 2: Raunverulegt grunnástand Higgs-sviðsins er hægra megin við hálfstöðuga grunnástandið þar sem það situr núna.

Ef Higgs-sviðið fylgdi sígildri aflfræði Newtons, væri öll sagan sögð. Higgs-sviðið sæti einfaldlega í sínu hálfstöðuga ástandi um ókomna framtíð. Sagan er hins vegar ekki öll þar sem Higgs-sviðið fylgir reglum skammtafræðinnar. Í skammtafræði geta hálfstöðug ástönd hrörnað tilviljanakennt í grunnástöndin. Þetta er einmitt það sem gerist í geislavirkum samsætum. Svonefnd alfa-hrörnun á sér til dæmis stað vegna þess að alfa-ögnin situr í hálfstöðugu ástandi innan kjarnans og smýgur tilviljunarkennt í gegnum mættisvegginn og veldur hrörnun kjarnans (sjá mynd 3). Líftími geislavirkra kjarna ræðst af lögun mættisveggjarins sem liggur á milli falska og raunverulega grunnástandsins.

Mynd 3: Mættisorka alfa-kjarna í geslavirkri samsætu. Samsætan hrörnar og alfa-kjarninn losnar frá samsætunni þegar hann smýgur í gegnum mættisvegginn.

Ef Higgs-sviðið myndi hrörna tilviljanakennt af völdum skammtaáhrifa einhvers staðar í alheiminum myndi verða til örsmátt um það bil kúlulaga svæði þar sem Higgs-sviðið væri í grunnástandinu. Þetta svæði myndi stækka á ljóshraða í allar áttir uns Higgs-sviðið væri alls staðar í grunnástandinu. Þessi kúla myndi taka yfir sólkerfi okkar á nokkrum klukkutímum og gleypa jörðina á aðeins nokkrum sekúndum. Við myndum því að öllum líkindum ekki vita fyrirfram hvað væri í vændum. Sem betur fer má áætla að þetta gerist ekki á næstu 10100 árum, og því er engin ástæða til þess að hræðast hrörnun Higgs-sviðsins.

Myndir:
  • Höfundur svarsins gerði allar myndirnar.

...