A fizika a természet legalapvetőbb rejtélyeinek feltárásáról szól, így nem meglepő, hogy a fizikusok néhány nagyon alapvető kérdéssel foglalkoznak az univerzummal kapcsolatban. Nemrégiben a Symmetry Magazine (amelyet két amerikai kormány által finanszírozott fizikai laboratórium ad ki) megkérdezte a részecskefizikusok egy csoportját, hogy nevezzék meg azokat a nyitott kérdéseket a fizikában, amelyekre a leginkább választ szeretnének kapni. Íme egy válogatás az általuk megosztott kérdésekből:

“Mi lesz a világegyetemünk sorsa?”

A költő Robert Frost híres kérdése, hogy a világ tűzben vagy jégben fog-e véget érni, és a fizikusok még mindig nem tudják megválaszolni a kérdést. Az univerzum jövője – a Steve Wimpenny, a Riverside-i Kaliforniai Egyetem munkatársa által megnevezett kérdés – nagyrészt a sötét energiától függ, amely jelenleg ismeretlen entitás. A sötét energia felelős az univerzum gyorsuló tágulásáért, de eredete teljesen rejtélyes. Ha a sötét energia időben állandó, akkor a jövőben valószínűleg egy “nagy megfagyás” elé nézünk, amikor a világegyetem egyre gyorsabban és gyorsabban tágul, és végül a galaxisok annyira eltávolodnak egymástól, hogy a világűr egy hatalmas pusztaságnak tűnik. Ha a sötét energia növekszik, ez a tágulás még súlyosabbá válhat, így nemcsak a galaxisok közötti, hanem a galaxisokon belüli tér is kitágul, és maguk a galaxisok is szétszakadnak – ezt a sorsot nevezik “nagy hasadásnak”. Egy másik lehetőség, hogy a sötét energia úgy csökken, hogy nem tudja ellensúlyozni a gravitáció befelé húzó erejét, és a világegyetem egy “nagy roppanás” során visszahullik önmagába. Tehát alapvetően bárhogy is alakuljon, nekünk végünk van. A jó oldal, hogy ezek közül az eshetőségek közül egyik sem következhet be több milliárd vagy trillió évig – bőven van időnk eldönteni, hogy tűzben vagy jégben reménykedünk-e.

“A Higgs-bozonnak abszolút semmi értelme. Miért létezik?”

A kérdés hangvétele a kérdező, Richard Ruiz, a Pittsburghi Egyetem munkatársa szerint szemtelen volt, de rámutat a tavaly az európai Nagy Hadronütköztetőben (LHC) felfedezett részecske természetével kapcsolatos nagyon is valós értetlenségre. A Higgs-bozon segít megmagyarázni, hogy az összes többi részecske hogyan kapta a tömegét, ugyanakkor számos más kérdést is felvet. Például miért lép kölcsönhatásba a Higgs-bozon az egyes részecskékkel eltérő módon – a felső kvark sokkal erősebben lép kölcsönhatásba a Higgs-szel, mint az elektron, ami a felső kvarknak sokkal nagyobb tömeget ad, mint az elektronnak. “Ez az egyetlen példa egy “nem univerzális” erőre a Standard Modellben” – mondja Ruiz. Továbbá a Higgs-bozon az első olyan alapvető részecske, amelyet a természetben nulla spinnel találtak. “Ez egy teljesen új szektor a Standard Modell részecskefizikájában” – mondja Ruiz. “Hogy hogyan jön létre, fogalmunk sincs.”

“Miért van az univerzum olyan kiválóan kiegyensúlyozott, hogy az élet létezhet?”

Az esélyek alapján tényleg nem kellene itt lennünk. Galaxisok, csillagok, bolygók és emberek csak egy olyan világegyetemben lehetségesek, amely a kezdeti időkben éppen a megfelelő sebességgel tágult. Ezt a tágulást a sötét energia kifelé irányuló nyomása irányította, amely háborúzott az univerzum tömegének befelé irányuló gravitációs vonzásával, amelyet a sötét anyagnak nevezett láthatatlan fajta ural. Ha ezek a mennyiségek eltérőek lettek volna – ha például a sötét energia csak egy kicsivel erősebb lett volna az univerzum születése után -, akkor a tér túl gyorsan tágult volna ahhoz, hogy galaxisok és csillagok alakulhassanak ki. Egy kicsivel kevesebb sötét energia viszont azt eredményezte volna, hogy a világegyetem magába omlott volna. Miért van tehát – kérdezi Erik Ramberg, az Ill. állambeli Batavia Fermilab munkatársa – olyan tökéletes egyensúlyban, hogy lehetővé teszi az univerzumot, amelyben élünk? “Nem ismerünk olyan alapvető okot, amiért ennek az egyensúlynak fenn kellene állnia” – mondja Ramberg. “Kétségtelen, hogy az univerzumban lévő sötét energia mennyisége a fizika történetének legfinomabban beállított száma.”

“Honnan származnak az asztrofizikai neutrínók?”

A rendkívül nagy energiájú neutrínók az előrejelzések szerint a kozmikus sugárzásnak nevezett gyors töltött részecskék és a világegyetemet átható kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban lévő könnyű részecskék (fotonok) ütközéséből származnak. De hogy mi indítja be ezt a folyamatot, és hogyan gyorsulnak fel a kozmikus sugarak, az még nyitott kérdés. Az egyik vezető elképzelés szerint a galaxisok középpontjában lévő éhes szupermasszív fekete lyukakba hulló anyag okozza a kozmikus sugárzást – de erre a hipotézisre még nincs bizonyíték. A keletkező neutrínókról úgy gondolják, hogy olyan gyorsan terjednek, hogy minden egyes icipici részecskében annyi energia van, mint egy gyorsan dobott baseball-labdában (amiben több milliárd milliárd atom van). “Még csak fel sem tudjuk fogni, honnan jönnek ezek a dolgok” – mondja Abigail Vieregg, a Chicagói Egyetem Kavli Kozmológiai Fizikai Intézetének munkatársa, aki felvetette a kérdést. “Ha rájövünk, megismerhetjük azokat a forrásokat, amelyek ezeket a részecskéket rendkívül nagy energiákra gyorsítják.”

“Hogy lehet, hogy a világegyetem anyagból és nem antianyagból áll?”

Az antianyag olyan, mint az anyag ellenkező napon: ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik, mint az anyag, amelyből a bolygók, csillagok és galaxisok állnak, de egy lényeges része más – a töltése. A világegyetem állítólag egyenlő arányban anyagból és antianyagból indult, de valahogy az anyag győzött, mindkét anyag nagy része megsemmisítette egymást röviddel az ősrobbanás után, így maradt egy kis anyagfelesleg. Hogy miért az antianyag vesztette el ezt a kötélhúzást, azt csak találgatni lehet. A tudósok a töltésparitás megsértésének nevezett folyamatok után kutatnak, amikor a részecskék inkább anyaggá bomlanak, mint antianyaggá, hogy megmagyarázzák a különbséget. “Különösen érdekel bennünket, hogy megpróbáljuk kideríteni, hogy a neutrínók oszcillációja különbözik-e a neutrínók és az antineutrínók között” – mondja Alysia Marino a Coloradói Egyetemről, aki megosztotta a kérdést a Szimmetriával. “Ez olyasmi, amit eddig még nem láttunk, de reméljük, hogy a kísérletek következő generációja részletesebben is megvizsgálja majd.”