Niebezpieczeństwa innych próżni
Ciało lubi spoczywać. Ciało fizyczne poruszające się w polu sił potencjalnych spoczywa, gdy znajduje się w minimum energii potencjalnej. Jeśli minimum to jest lokalne, ciało może znaleźć się w innym, niżej położonym minimum, gdy dostarczyć mu dostatecznie dużo energii, by mogło pokonać barierę potencjału, lub gdy zajdzie tunelowanie kwantowe (jego prawdopodobieństwo dla ciał makroskopowych jest nikłe). Dla ciał znajdujących się w naszym otoczeniu, takich jak książki na półkach, wiemy z grubsza, gdzie znajdują się te minima.

Jednak te same zasady stosują się także do największego możliwego układu fizycznego – Wszechświata, z tym że stan realizujący lokalne minimum energii nazywamy próżnią. Tymczasem na świecie w odstępach rzędu dziesięciolecia buduje się coraz potężniejsze akceleratory cząstek elementarnych zderzające cząstki z coraz to większymi energiami. Czy prawdopodobne jest, że, jeśli energia potencjalna Wszechświata ma jakieś niżej leżące minimum, w zderzeniu dwóch cząstek w akceleratorze uwolniona zostanie energia, która pozwoli małemu kawałkowi Wszechświata przejść do tego właśnie minimum? Byłoby to, delikatnie mówiąc, niebezpieczne, gdyż taki „bąbelek” nowego stanu rozszerzałby się bardzo szybko, ogarniając coraz większą część Wszechświata wraz ze znajdującymi się w nim strukturami. A zatem, czy wykonywanie eksperymentów przy akceleratorze LHC może zniszczyć Wszechświat? Odpowiedź na to pytanie nie może zależeć od modelu teoretycznego, gdyż właśnie wskazanie tego właściwego jest przecież jednym z głównych celów LHC. Na szczęście, istnieją wyniki badań doświadczalnych pozwalające na rozstrzygnięcie tego dylematu.
Górne warstwy ziemskiej atmosfery są nieustannie bombardowane
wysokoenergetycznymi cząstkami elementarnymi zwanymi promieniowaniem
kosmicznym – są to w większości protony. Wiele zespołów naukowych bada
własności tych cząstek. Najwyższa zarejestrowana dotąd energia cząstki
promieniowania kosmicznego to około
GeV, przy czym zgodnie ze
szczególną teorią względności protony o energii większej niż
GeV
zderzające się ze spoczywającymi protonami ziemskiej atmosfery mają energię
zderzenia przekraczającą tę uzyskiwaną w LHC. Wiadomo, że średnia liczba
protonów promieniowania kosmicznego o energiach przekraczających
GeV padających w ciągu sekundy na kilometr kwadratowy górnych
warstw ziemskiej atmosfery jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna
do kwadratu energii i wynosi około
Mnożąc to przez
powierzchnię Ziemi oraz czas istnienia Ziemi (ok. 4,5 mld lat), stwierdzamy,
że na Ziemi zaszło już ponad
zderzeń proton-proton o energiach
przekraczających te z LHC. Można zatem powiedzieć, że na Ziemi sama
przyroda wykonała już około
„eksperymentów LHC”
– i nic złego się nie stało.
Jeśli zamiast Ziemi rozważymy Słońce, liczba wykonanych „eksperymentów
LHC” wzrośnie do
Droga Mleczna zawiera około 100 mld gwiazd,
których nasze Słońce jest w miarę typowym przedstawicielem, szacuje się, że
w widzialnym Wszechświecie jest 100 mld galaktyk. Oznacza to, że
w obserwowalnej części Wszechświata „eksperyment LHC” został już
wykonany rzędu
razy. Nie ma jednak żadnych obserwacyjnych
dowodów na to, że jakaś część Wszechświata jest pożerana przez bąble
nowej próżni.
A jeśliby powstał akcelerator zderzający protony z energią dziesięciokrotnie
większą niż LHC, a do tego sto razy częściej? Wtedy energia protonów
promieniowania kosmicznego odpowiadająca energii zderzeń w takim
akceleratorze będzie stukrotnie większa, czyli około
GeV. Liczba
cząstek o energii większej niż wymieniona wyżej zmaleje wówczas
o czynnik
co oznacza, że wyobrażony tu „eksperyment
super-LHC” został już we Wszechświecie przeprowadzony
razy.
Czy prawdopodobieństwo zajścia takiego katastrofalnego zdarzenia rzędu
to dużo? Nietrudno sprawdzić, że to trochę mniej niż
prawdopodobieństwo wygrania szóstki w totolotka trzy razy pod rząd.
Można chyba spać spokojnie.