ذره هیگز می‌توانست پایان جهان را رقم بزند؛ پس چرا هنوز وجود داریم؟

اگرچه جهان ما ممکن است پایدار به نظر برسد و به مدت ۱۳٫۷ میلیارد سال دوام آورده است، آزمایش‌های متعدد نشان می‌دهد که در معرض خطر قرار دارد و گویی روی لبه‌ی صخره‌‌ای خطرناک راه می‌رود. مقصر اصلی این خطر چیزی نیست جز بی‌ثباتی ذره‌ای بنیادی به نام بوزون هیگز.

براساس پژوهش لوسین اورتیه، پژوهشگر پسادکترا در کینگز کالج لندن و همکارانش که برای انتشار در مجله‌ی Physical Letters B پذیرفته شده، بعید است برخی مدل‌های جهان آغازین، به‌ویژه آن‌هایی که دربردارنده‌ی اجرام موسوم به سیاه‌چاله‌های سبک آغازین هستند، صحیح باشند؛ زیرا در این صورت موجب می‌شدند که بوزون هیگز پایان جهان را رقم بزند.

بوزون هیگز مسئول جرم و برهم‌کنش تمام ذراتی است که می‌شناسیم؛ زیرا جرم ذرات نتیجه‌ی برهم‌کنش ذرات بنیادی با میدانی معروف به میدان هیگز است و از آنجایی که بوزون هیگز وجود دارد، به وجود این میدان پی می‌بریم.

می‌توانید میدان هیگز را به شکل حمام آب کاملا راکدی درنظر بگیرید که در آن غوطه‌ور هستیم. خواص این میدان در کل جهان یکسان است؛ بدین معنا که جرم‌ها و برهم‌کنش‌های یکسانی را در سرتاسر کیهان مشاهده می‌کنیم. این یکنواختی به ما امکان داده است که ویژگی‌های فیزیکی یکسانی را درطول سالیان سال مشاهده و توصیف کنیم.

اما میدان هیگز به احتمال زیاد همیشه در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن قرار ندارد؛ بدین معنی که روی کاغذ وضعیت آن می‌تواند تغییر کند و به وضعیت پائین‌تر انرژی در یک موقعیت خاص برود. اگر این اتفاق رخ دهد، قوانین فیزیک به شکل چشمگیری تغییر خواهند کرد.

تغییر میدان هیگز چیزی است که فیزیکدان‌ها به آن گذار فاز می‌گویند. این اتفاق به زمانی شباهت دارد که آب به بخار تبدیل شود و طی این فرآیند حباب‌هایی را به‌وجود آورد. به‌طور مشابه، گذار فاز در میدان هیگز به ایجاد حباب‌های کم‌انرژی فضا با فیزیک کاملا متفاوت در آن‌ها منجر می‌شود.

در حباب کم‌انرژی، جرم الکترون‌ها و برهم‌کنش آن‌ها با دیگر ذرات به طور ناگهانی تغییر می‌کند. پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته‌ی اتم را شکل می‌‌دهند و خود از کوارک ساخته شده‌اند نیز به‌صورت ناگهانی جابه‌جا می‌شوند. هر شخصی که چنین تغییری را تجربه کند احتمالا نخواهد توانست آن را گزارش کند.

اندازه‌گیری‌های جدید از جرم ذرات در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) نشان می‌دهد که گذار فاز ممکن است امکان‌پذیر باشد. اما جای نگرانی نیست؛ زیرا این اتفاق احتمالا فقط در چندهزار میلیارد میلیارد سال پس از بازنشستگی ما رخ خواهد داد. به همین دلیل در راهروهای دانشکده‌های فیزیک ذرات معمولا گفته می‌شود که جهان ناپایدار نیست، بلکه در عوض «فراپایدار» است؛ زیرا پایان جهان به این زودی‌ها رخ نخواهد داد.

با این‌حال، داستان با وجود منابع خارجی انرژی مثل میدان‌های گرانشی قوی یا پلاسمای داغ (نوع ماده که از ذرات باردار تشکیل شده است) متفاوت خواهد بود. در این شرایط میدان می‌تواند انرژی لازم برای شکل‌گیری حباب را آسان‌تر قرض بگیرد.

بنابراین، گرچه امروزه دلیلی ندارد که میدان هیگز حباب‌های متعددی را شکل دهد، پرسش بزرگ کیهان‌شناسی مطرح می‌شود: آیا این حباب‌ها در محیط‌های پرهرج و مرج بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته‌اند؟

گرچه وقتی جهان بسیار داغ بود، انرژی لازم برای شکل‌گیری حباب‌های هیگز وجود داشت، با این‌حال آثار حرارتی با تغییر ویژگی‌های کوانتومی میدان هیگز به پایدار شدن آن کمک کردند. به همین دلیل این گرما نمی‌توانست پایان جهان را رقم بزند و اصلا به همین دلیل ما امروز وجود داریم.

پژوهشگرها در مطالعه‌ی تازه نشان دادند که یک منبع گرما وجود دارد که به‌طور دائم باعث ایجاد حباب می‌شود (بدون وجود آثار حرارتی تثبیت‌کننده‌ای که که در روزهای اولیه پس از بیگ‌بنگ مشاهده شد). این منابع گرمایی، سیاه‌چاله‌های آغازین هستند؛ نوعی سیاه‌چاله که در جهان آغازین از فروپاشی مناطق بسیار متراکم فضازمان پدیدار شد. برخلاف سیاه‌چاله‌های عادی که حاصل فروپاشی ستاره‌ها هستند، سیاه‌چاله‌های آغازین می‌توانند بسیار کوچک و سبک، در حد حتی یک گرم باشند.

وجود چنین سیاه‌چاله‌های سبکی نشانه‌ای از پیش‌بینی تعداد زیادی از مدل‌های نظری است که تکامل کیهان را در فاصله‌ی کوتاهی پس از بیگ‌بنگ توصیف می‌کنند. این مدل‌ها شامل برخی مدل‌های تورم کیهانی هستند که نشان می‌دهند ابعاد کیهان پس از بیگ‌بنگ افزایش یافته است.

با این‌حال اثبات وجود سیاه‌چاله‌های آغازین با یک هشدار بزرگ همراه است: استیون هاوکینگ در دهه‌ی ۱۹۷۰ نشان داد که به‌دلیل مکانیک کوانتوم، سیاه‌چاله‌ها با انتشار پرتو از طریق افق رویدادشان (نقطه‌ای که حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد) به آرامی تبخیر می‌شوند.

هاوکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها در جهان مانند منابع گرمایی رفتار می‌کنند و دمای آن‌ها رابطه‌ی معکوسی با جرمشان دارد؛ بنابراین سیاه‌چاله‌های سبک بسیار داغ‌تر هستند و با سرعت بیشتری نسبت به سیاه‌چاله‌های سنگین‌تر تبخیر می‌شوند. اگر سیاه‌چاله‌های آغازین سبک‌تر از چند هزار میلیارد گرم در جهان آغازین شکل گرفته باشند (۱۰ میلیارد برابر کوچک‌تر از جرم ماه، قمر زمین)، بنابراین بسیاری از آن‌ها باید تاکنون تبخیر شده باشند.

سیاه‌چاله‌های آغازین در حضور میدان هیگز مانند ناخالصی‌هایی در یک نوشیدنی گازدار عمل می‌کنند. آن‌ها با تأثیر بر انرژی از طریق نیروی گرانش (که بر اثر جرم سیاه‌چاله به وجود می‌آید) و دمای محیطی (بر اثر تابش هاوکینگ) به شکل‌گیری حباب‌ها کمک می‌کنند.

وقتی سیاه‌چاله‌های آغازین تبخیر شوند، جهان را به‌صورت محلی گرم می‌کنند. آن‌ها در میانه‌ی نقاط داغی به تکامل می‌رسند که می‌توانند بسیار داغ‌تر از محیط اطراف باشند، اما همچنان سردتر از دمای هاوکینگ متداول هستند. پژوهشگرها با ترکیبی از محاسبات تحلیلی و شبیه‌سازی‌های عددی نشان دادند که به‌لطف وجود این نقاط داغ، میدان هیگز به‌صورت پیوسته حباب‌سازی می‌کند.

با این‌حال ما هنوز اینجا هستیم و این یعنی بعید است سیاه‌چاله‌های آغازین وجود داشته باشند. در واقع باید تمام سناریوهای کیهانی که وجود آن‌ها را پیش‌بینی می‌کنند، کنار بگذاریم. البته تا زمانی که شواهدی از گذشته‌ی آن‌ها در پرتوهای باستانی یا امواج‌ گرانشی پیدا نکرده‌ایم، می‌توانیم این‌طور فکر کنیم.

از سویی اگر سیاه‌چاله‌های آغازین را کشف کنیم، متوجه می‌شویم که چیزی درباره‌ی هیگز نمی‌دانیم. چنین یافته‌ای نشان می‌دهد عاملی از جهان در برابر حباب‌سازی در حضور سیاه‌چاله‌های آغازین تبخیر‌شونده محافظت کرده است. این عامل ناشناخته می‌تواند ذرات یا نیروهای جدید باشد. به هر صورت واضح است که هنوز باید چیزهای زیادی را درباره‌ی جهان در کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین مقیاس‌ها کشف کنیم.