Fizyka jest o sondowanie najbardziej fundamentalnych tajemnic w przyrodzie, więc nie jest zaskoczeniem, że fizycy mają jakieś bardzo podstawowe pytania o wszechświecie na ich umysłach. Ostatnio Symmetry Magazine (wydawany przez dwa amerykańskie laboratoria fizyczne finansowane przez rząd) poprosił grupę fizyków cząstek elementarnych o wymienienie otwartych pytań z dziedziny fizyki, na które najbardziej oczekują odpowiedzi. Oto próbka pytań, którymi się podzielili:

„Jakie będą losy naszego wszechświata?”

Poeta Robert Frost słynnie pytał, czy świat skończy się w ogniu czy w lodzie, a fizycy wciąż nie potrafią odpowiedzieć na to pytanie. Przyszłość wszechświata – pytanie nazwane przez Steve’a Wimpenny’ego z Uniwersytetu Kalifornijskiego, Riverside – w dużej mierze zależy od ciemnej energii, która w tym momencie jest nieznanym bytem. Ciemna energia jest odpowiedzialna za przyspieszającą ekspansję wszechświata, ale jej pochodzenie jest całkowicie tajemnicze. Jeśli ciemna energia jest stała w czasie, to prawdopodobnie w przyszłości czeka nas „wielkie zamrożenie”, w którym to momencie wszechświat będzie rozszerzał się coraz szybciej i szybciej, aż w końcu galaktyki będą tak od siebie oddalone, że przestrzeń kosmiczna będzie wyglądała jak rozległe pustkowie. Jeśli ciemna energia wzrośnie, ekspansja ta może być jeszcze bardziej gwałtowna, tak że nie tylko przestrzeń pomiędzy galaktykami, ale także przestrzeń wewnątrz nich rozszerzy się, a same galaktyki zostaną rozerwane na strzępy – los ten nazywany jest „wielkim rozdarciem”. Inna możliwość jest taka, że ciemna energia zmniejsza się tak, że nie jest w stanie przeciwdziałać przyciągającej do wewnątrz sile grawitacji, powodując, że wszechświat zapada się z powrotem na siebie w „wielkim pęknięciu”. Więc w zasadzie, jakkolwiek by nie było, jesteśmy skazani na zagładę. Z drugiej strony, żadna z tych ewentualności nie powinna się wydarzyć przez miliardy lub biliony lat – mnóstwo czasu, aby zdecydować, czy mamy nadzieję na ogień czy lód.

„Bozon Higgsa nie ma absolutnie żadnego sensu. Dlaczego istnieje?”

Ton tego pytania był z przymrużeniem oka, mówi autor pytania, Richard Ruiz z Uniwersytetu w Pittsburghu, ale wskazuje ono na bardzo realny brak zrozumienia natury cząstki odkrytej w zeszłym roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Europie. Bozon Higgsa pomaga wyjaśnić, w jaki sposób wszystkie inne cząstki uzyskały swoją masę, ale rodzi też wiele innych pytań. Na przykład, dlaczego bozon Higgsa oddziałuje z każdą cząstką inaczej – kwark górny oddziałuje z bozonem Higgsa znacznie silniej niż elektron, co daje kwarkowi górnemu znacznie większą masę niż elektronowi. „Jest to jedyny przykład 'nieuniwersalnej’ siły w Modelu Standardowym” – mówi Ruiz. Co więcej, bozon Higgsa jest pierwszą fundamentalną cząstką o zerowym spinie znalezioną w naturze. „Jest to zupełnie nowy sektor w fizyce cząstek Modelu Standardowego” – mówi Ruiz. „Jak do tego doszło, nie mamy pojęcia.”

„Dlaczego wszechświat jest tak doskonale zrównoważony, że życie może istnieć?”

W oparciu o szanse, naprawdę nie powinno nas tu być. Galaktyki, gwiazdy, planety i ludzie są możliwe tylko we wszechświecie, który rozszerzał się z odpowiednią prędkością w swoich początkach. Ekspansja ta była regulowana przez wypychanie na zewnątrz ciemnej energii, która walczyła z grawitacyjnym przyciąganiem do wewnątrz masy wszechświata, zdominowanej przez niewidzialny rodzaj ciemnej materii. Gdyby te wielkości były inne – na przykład, gdyby ciemna energia była tylko odrobinę silniejsza po narodzinach wszechświata – przestrzeń rozszerzałaby się zbyt szybko, aby mogły uformować się galaktyki i gwiazdy. Ale odrobina mniej ciemnej energii spowodowałaby, że wszechświat zapadłby się w sobie. Dlaczego więc, pyta Erik Ramberg z Fermilab w Batavii, Ill., są one tak doskonale zrównoważone, że umożliwiają powstanie wszechświata, w którym żyjemy? „Nie znamy fundamentalnego powodu, dla którego ta równowaga miałaby istnieć,” mówi Ramberg. „Nie ma wątpliwości, że ilość ciemnej energii we wszechświecie jest najbardziej precyzyjnie dostrojoną liczbą w historii fizyki.”

„Skąd się biorą neutrina astrofizyczne?”

Przewiduje się, że neutrina o ekstremalnie wysokiej energii powstają w wyniku zderzeń szybkich naładowanych cząstek zwanych promieniami kosmicznymi z cząstkami światła (fotonami) w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła, które przenika wszechświat. Ale co wprawia ten proces w ruch i jak promienie kosmiczne są przyspieszane, to otwarte pytania. Wiodącym pomysłem jest to, że materia wpadająca do głodnych supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk daje początek promieniom kosmicznym – ale nie ma jeszcze dowodu na potwierdzenie tej hipotezy. Uważa się, że powstałe w ten sposób neutrina podróżują tak szybko, że każda maleńka cząsteczka ma w sobie tyle energii, ile szybka piłka baseballowa (która ma miliardy miliardów atomów). „Nie potrafimy sobie nawet wyobrazić, skąd one się biorą” – mówi Abigail Vieregg z Kavli Institute for Cosmological Physics na Uniwersytecie w Chicago, która zadała to pytanie. „Jeśli się tego dowiemy, będziemy mogli poznać źródła, które przyspieszają te cząstki do ekstremalnie wysokich energii.”

„Jak to się dzieje, że wszechświat jest zbudowany z materii, a nie z antymaterii”

Antymateria jest jak materia w przeciwnym dniu: ma takie same właściwości jak rzeczy, które tworzą planety, gwiazdy i galaktyki, ale jeden istotny element jest inny – jej ładunek. Wszechświat rzekomo zaczął się od równych części materii i antymaterii, ale w jakiś sposób materia zwyciężyła, a większość obu substancji unicestwiła się nawzajem wkrótce po wielkim wybuchu, pozostawiając niewielką nadwyżkę materii. Nie wiadomo, dlaczego antymateria przegrała tę wojnę. Naukowcy są zajęci poszukiwaniem procesów zwanych naruszeniami parzystości ładunków, w których cząstki wolą rozpadać się na materię, a nie antymaterię, aby wyjaśnić tę różnicę. „Szczególnie interesują nas próby sprawdzenia, czy oscylacje neutrin różnią się pomiędzy neutrinami i antyneutrinami” – mówi Alysia Marino z Uniwersytetu Kolorado, która podzieliła się tym pytaniem z Symmetry. „Jest to coś, co do tej pory nie zostało zaobserwowane, ale mamy nadzieję, że następna generacja eksperymentów przyjrzy się temu bardziej szczegółowo.”

.