Sako, ji prasidėjo nuo sprogimo, tačiau tiesą sakant, sprogimas neįvyko. Visata prasidėjo kaip karšta energijos dalelė ir trumpam tokia ir liko. O tada ji išsipūtė: iš trilijonus trilijonų kartų mažesnės už atomą sėklytės, viskas staiga išsipūtė iki „Tic Tac“ ledinuko dydžio. Per mažą sekundės dalį visata išsipūtė beveik tiek pat, kiek per kitus 13,8 mlrd metų.
Ji suteikia masę viskam ir kai kurie žmonės mano, kad Higgso bozonas įžiebė tą sekundės dalį trukusią infliaciją, sukūrusią dabar mūsų matomą kosmosą.
Sako, ji prasidėjo nuo sprogimo, tačiau tiesą sakant, sprogimas neįvyko. Visata prasidėjo kaip karšta energijos dalelė ir trumpam tokia ir liko. O tada ji išsipūtė: iš trilijonus trilijonų kartų mažesnės už atomą sėklytės, viskas staiga išsipūtė iki „Tic Tac“ ledinuko dydžio. Per mažą sekundės dalį visata išsipūtė beveik tiek pat, kiek per kitus 13,8 mlrd metų.
Norite tikėkite, nenorite – ne, bet šis kosmologinės infliacijos spurtas, po kurio vyko lėtesnis, ramesnis plėtimasis, yra logiškiausias būdas paaiškinti dabartinį visatos vaizdą. Bet paveikslui dar kai ko trūksta: kas infliaciją sukėlė?
Visata atsirado, bet kas ją išpūtė?
©Henrik Sorensen/Getty
Atsakymas gali būti visur ir tiesiog po nosimi. Kai prieš keletą metų ilgai ieškota dalelė pagaliau buvo aptikta, atrodė, ji užbaigė fizikos skyrių, nepateikdama jokių užuominų, kas vyks paskui. Tačiau skaitant tarp eilučių, kaip neseniai padarė keli fizikos teoretikai, paaiškės, kad sprogiąją paslaptį gali turėti garsusis Higgso bozonas – dalelė, suteikianti masę, arba inerciją visoms kitoms dalelėms. „Jei Higgsas suteikia inerciją dalelėms, ar gali jis suteikti inerciją visai visata?“ – svarsto Juan García-Bellido iš Autonomous universiteto Madride.
Tačiau čia kažkas ne taip. Žiūrint pakankamai dideliu masteliu, žvaigždės, galaktikos ir kitos visatos struktūros neatrodo išsibarsčiusios atsitiktinai; netgi materija priešingose visatos pusėse atrodo pasiskirsčiusi tokia pat tinklų ir spiečių struktūra, lyg ją kažkas būtų suvienodinęs visatai besiplečiant. Bet tai neįmanoma. Tas kažkas būtų turėjęs tarp šių nutolusių taškų sklisti didesniu nei šviesos greičiu – fizika tam niekaip negali pritarti.
Sprogdinanti nekantra
Išeitį siūlo infliacija, kurios idėją Alanas Guthas iš MIT ir kiti iškėlė devintojo dešimtmečio pradžioje. Ji skelbia, kad mažutėlaitė pirminio kosmoso dalis akimirksniu išaugo eksponentiškai. Erdvėlaikyje nuolat vykstančios mažos, trumpai gyvuojančios kvantinės fluktuacijos įstrigo žaibiškame plėtimesi ir tapo dabar regimų žvaigždžių ir galaktikų užuomazgomis. Struktūros neišsivystė – jos buvo nuo pat pradžių.
Yra ir daugiau priežasčių mėgti infliaciją, tačiau tai nekeičia fakto, kad vis dar neturime žalio supratimo, kaip ji nutiko. Kosmologai spėja, kad turėtų būti „inflatonas“, sprogstamomis savybėmis pasižymintis energijos laukas. Bet kas ir kur tai yra?
Numanome, ko reikėtų ieškoti: inflatonas turi būti skaliarinis laukas. Tai tiesiog matematinis būdas aprašyti lauką, veikiantį visomis kryptimis, bet kurio stipris kinta laike ir erdvėje. Tai galima įsivaizduoti kaip orų žemėlapį su pavaizduotu oro slėgiu. Oro slėgis priklauso nuo vietos ir prognozės laiko, bet, kitaip, nei, tarkime, vėjo greitis, jis neturi krypties.
Tad, ieškome neregimos, į skystį panašios substancijos, užpildančios visą erdvę ir galinčios veikti viską, kas joje yra. Ar bent jau galėjusios. Šis inflatono laukas turėjo sukurti kažką panašaus į antigravitaciją – erdvėlaikio audinį susprogdinusį kosminį akstiną, kurio įtaka paskui iš esmės išnyko ir liko normalus plėtimasis.
Iš principo mums niekas nekliudo ieškoti nematomo energijos lauko, nepasireiškusio per vėlesnius 13,8 mlrd metų. Dalelių fizikai gali izoliuoti nedidelį lauko lopinėlį, dar žinomą kaip dalelė, sudauždami kitas daleles ir taip gaudami momentinį energijos blyksnį. Taip atradome kai kurias efemeriškiausias fundamentalias daleles, pavyzdžiui, kvarkus. Bet tos dalelės nesusijusios su skaliariniais laukais. Ir per dešimtmečius, praėjusius po infliacijos idėjos iškėlimo, geriausiems dalelių greitintuvams nepavyko rasti nieko, kas būtų.
O tada, 2012 metais, pagaliau pasirodė fundamentalioji skaliarinė dalelė: Higgso bozonas. Ant Prancūzijos ir Šveicarijos sienos stovinčiame CERN Didžiajame hadronų greitintuve (LHC), Higgsas jau seniai buvo numatytas kaip dalelė, suteikianti masę visoms kitoms dalelėms. Jo atradimas buvo didžiulis triumfas.
Tačiau, kol pasaulis šventė, grupelė teoretikų Higgso atradimą regėjo kitoje šviesoje. Du iš jų, Fedor Bezrukov ir Mikhail Shaposhnikov iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Lozanoje (EPFL). Keletą metų laukdami Higgso atradimo, jie pradėjo svarstyti, kokios dar yra jo savybės, neskaitant masės suteikimo.
Iš pirmo žvilgsnio, Higgsas ir inflatonas skiriasi iš esmės. Nors abu yra skaliariniai laukai, tačiau, kitaip nei inflatonas, dalis Higgso lauko išlieka net žemiausiame energijos lygyje. Būtent šis likutis ir pasireiškia kaip kitų fundamentaliųjų dalelių masės savybė. Bet taip yra dabartinėje visatoje. Bezrukovas ir Shaposhnikovas suprato, kad galima Higgso lauko savybes pareguliuoti taip, kad iškart po Didžiojo sprogimo vis dar neapsakomai mažą kosmosą jis užpildytų infliacijos potraukiu.
Jie nagrinėjo Higgso „potencialo kreivę“ – iš esmės, kokios energijos reikia dalelei, kad ši turėtų kokį nors, tarkime, masės suteikimo kitoms dalelėms, efektą. Įsivaizduokite tai kaip kamuolį ant stačios kalvos viršūnės. Daugumos dalelių atveju, kai veikia maža energija, kamuoliai ramybės būseną pasiekia slėnyje. Dalelės vieta apsprendžia jos efektą, ir slėnio viduryje efektas lygus „nuliui“, kas reiškia, kad dalelė, galima sakyti, yra išjungta.
Tačiau Higgsas yra ypatingas, – jo potencialo kreivės forma primena ne tipinį slėnį, o veikiau šampano butelio dugną su iškilimu viduryje. Kadangi norint užstumti kamuolį ant centrinio iškilumo, reikėtų energijos, kai aplinkinė energija maža, Higgsas įsitaiso vienoje slėnio pusėje, kur jis „įjungtas“. Taip Higgsas suteikia masę kitoms dalelėms masę, nors pats laukas neturi išorinės energijos šaltinio.
Bezrukovas ir Shaposhnikovas pastebėjo, kad niekas iš to, kas žinoma apie Higgsą, nekliudo jiems pakoreguoti jo potencialo kreivės šonų. O ką, jei kažkur aukščiau, statūs šios kreivės kraštai kažkaip suplokštėjo? Jei kamuolys buvo čia trumpam apsistojęs, Higgsas galėjo būti „įjungtas“, kur būtų užtvindęs visatą ekstremalia antigravitacija, kurios pakaktų paties erdvėlaikio išplėtimui.
Netikėtas bendrininkas
Taip, tam būtų reikėję labai daug energijos. Bet po Didžiojo sprogimo foninės energijos buvo sočiai (Physics Letters B, vol 659, p 703). „Higgsas gali priversti visatą plėstis, – sako Bezrukovas, dabar dirbantis Mančesterio universitete, JK. – Jis gali būti inflatonas.“
Norint tuo įsitikinti, reikėtų patikrinti šios dalelės sąveiką su gravitacija: jei Higgsas stipriai sąveikauja su gravitacija, tada potencialo kreivės kraštai galėjo būti plokštesni, kaip tyrėjai ir siūlo. Deja, Žemėje gravitacija pernelyg silpna, kad tai būtų galima pamatuoti LHC, tad, vien iš greitintuvo duomenų negalima nustatyti, ar Higgso potencialas turi inflatonui pritinkančius plokštesnius kraštus.
Galimybė Higgsu paaiškinti ir masę, ir inflatoną, buvo pernelyg viliojanti, kad García-Bellido galėtų jos atsisakyti. Bet kuo daugiau jis apie tai mąstė, tuo mažau aiškumo liko. 2011 metais, dirbdamas su Shaposhnikovu ir kitais, García-Bellido suprato, kad matematiniai Higgso potencialo pakeitimai jo lygtyse sukūrė disbalansą, kurį galima būtų ištaisyti tik antra skaliarine dalele. Tai buvo siurprizas, tačiau nebūtinai nemalonus.
Nuo 1998 m. astronomai žinojo, kad visatos dabartinis plėtimasis greitėja. Jie manė, kad greitėjimą sukelia kažkoks nežinomas energijos šaltinis, o šiuolaikiniai stebėjimai rodo, kad jam tenka daugiau nei du trečdaliai visatos energijos. Tik bėda, kad niekas nežino, kas toji tamsioji energija yra.
Tad, būtų labai paranku, jei Garcia-Bellido ir kolegų sumąstyta dalelė galėtų išspręsti ir šią paslaptį. Ji nė iš tolo nebūtų tokia energinga, kaip Higgsas, bet remiantis komandos skaičiavimais, jos laukas nedeliais kiekiais pasireikštų per visą visatos gyvavimo laiką, suteikdama tinkamą plėtimosi spartinimą (Physical Review D, vol 84, p 123504). „Čia ir yra visas šio modelio grožis, – sako García-Bellido. – Pirmiausia, jis išsprendžia infliaciją; antra, spartėjantį visatos plėtimąsi. Tai itin ekonomiška.“
Naujosios dalelės pavadinimas, dilatonas, atspindi artimą jos sąsają su Higgso fizika. O būtent, ji neleistų Higgso masei pernelyg „išsiplėsti“ (angl. dilate) – kas naudinga, nes antraip nelabai žinotume, kodėl Higgso masė tokia, kokia yra. Tad, nors pats dilatonas masės neturėtų, jis būtų svarbus užkulisinis veikėjas, reguliuojantis Higgso bozono, – o per jį ir visų kitų fundamentaliųjų dalelių – mases. Didžiausias jo pėdsakas visatoje būtų tamsioji energija.
Drąsūs teiginiai, ką ir besakyti. Deja, ne visus įtikinantys. Veronica Sanz iš Sussexo universiteto, JK, mano, kad Higgso, kaip masės suteikėjo ir kartu inflatono idėja yra pernelyg pritempta. Jai labiau prie širdies galimybė, kad Higgsas ir inflatonas yra dalis visai naujos skaliarinių dalelių šeimos, kurias dar tik pradedame atrasti. Visos kitos žinomos dalelės priklauso kokiai nors šeimai, tai kodėl Higgsas turėtų būti vienintelė skaliarinė dalelė?
Jei Sanz teisi, Higgsas tebūtų kuklus ankstyvosios visatos stebėtojas, kuriam įtaką darė jo giminaitis inflatonas, ir tai pasimatytų Higgso duomenyse iš LHC. Sanz sako, kad ji teikia pirmenybę šiai idėjai, nes turimais greitintuvais ją paprasčiau patikrinti, nei siūlomą García-Bellido ir jo kolegų. „Kosmologijoje niekad netrūksta idėjų, kurias eksperimentiškai sunku atskirti, – priduria ji. – Man tai nepatinka.“
Tai teisingas pastebėjimas: vien LHC negali atmesti Higgso-dilatono modelio, nes dilatonas vargu ar sąveikautų su kitomis dalelėmis. Bet tikrindamas, ar Higgsas galėtų suteikti sprogumo Didžiajam sprogimui, García-Bellido nesiremia vien LHC. Vietoje to jis žvelgs į Didžiojo sprogimo atšvaitus, kosminį mikrobangų foną.
Tiesioginis Higgso kaip infliacijos sukėlėjo įkaltis būtų tam tikras šios senovinės šviesos poliarizacijos pasisukimas. Dilatono lauką pastebėti būtų sunkiau – bet įmanoma. García-Bellido mano, kad jis turėjo palikti žymę bet kuriose gravitacinėse bangose palikusiose atspaudus po infliacijos sąmyšio. Plačiai kalbant, tai reiškia tikslius iš skirtingų erdvės krypčių atsklindančių mikrobangų lygio skirtumų matavimus.
Kol kas geriausią kosminio mikrobangų fono vaizdą 2013 metais įrašė Europos kosmoso agentūros zondas „Planck“. García-Bellido tikslams jo detalumo negana, bet nauji instrumentai turėtų tai atlikti – Atakamos dykumoje Čilėje statoma Simonso observatorija, Japonijos būsimas LiteBIRD palydovas ir naujausias BICEP/Keck teleskopas Pietų ašigalyje.
Turėsime apsišarvuoti kantrybe. Simonso observatorija dangų tyrinėti pradės dar tik po kelių metų, o LiteBIRD paleidimas numatomas ne anksčiau, nei 2020 m. Tačiau García-Bellido neilgu laukti dviejų didžiausių kosmologijos mįslių sprendimo vienu ypu. „Proveržis jau čia pat“, – sako jis.
Kodėl iš viso kas nors egzistuoja
Infliacija nėra vienintelė svarbi ankstyvosios visatos paslaptis. Didžiojo sprogimo metu susidarė po vienodai materijos ir antimaterijos. Vos susilietusios, jos viena kitą anihiliuoja, tad jos turėjo viena kitą sunaikinti kone iš karto, palikdamos tuščią visatą, be medžiagos, iš kurios galėtų susiformuoti žvaigždės, planetos ir gyvybė. Nereikia nė sakyti, esame čia, tad kažkas pakeitė balansą.
Alexander Kusenko iš UCLA ir kitų teigimu, tas kažkas galėjo būti Higgso bozonas, dalelė ir jos laukas, suteikiantis masę kitoms dalelėms. Geriausi turimi Higgso masės matavimai rodo, kad jo laukas kosmologinės infliacijos metu galėjo būti gerokai stipresnis, kai visata sparčiai plėtėsi (žr. pagr. pasakojimą), o paskui sumažėjo iki dabartinio lygio. Po infliacijos sumažėjęs, kintantis Higgso lygis galėjo nevienodai veikti daleles ir antidaleles, ir taip sukurti palankesnes sąlygas materijai.
Bet Higgsui reikėtų šiek tiek draugiškos pagalbos – sunkaus „Majorana“ neutrino, turinčio neįprastą savybę – jis yra savo paties antidalelė. Kusenko ir kolegos spėja, kad šios dviveidės dalelės galėjo suteikti kelelį, kuriuo antimaterijos dalelės galėjo virsti materija, kai kintanti Higgso reikšmė pasidarė jai palankesnė (Physics Review Letters, vol 114, p 061302).
Idėja patraukli, bet, kaip jau įprasta, yra ir kabliukas: niekas sunkaus Majorana neutrino nėra matęs. Tad, vėlgi, stebėtos žinomų neutronų masės lyg ir nurodo jų egzistavimą, ir paieškos vykdomos keliais tam skirtais neutrinų eksperimentais.
