Student World

Dokončení eseje ze včerejšího dne.
Poznámka Pavel Houser:
Jedná se o verzi textu před závěrečnou redakční a jazykovou korekturou, proto prosím čtenáře o shovívavost.

Pro připomenutí hlavní otázky:
1) Jaká je podstata silné vazby, která spojuje atomová jádra?
2) Jaká je podstata slabé vazby, zodpovědné za radioaktivní rozpad?
3) Je model ustáleného stavu vesmíru správný, nebo kdysi došlo k velkému třesku, jak nadnesl Gamow a další okrajové postavy?
4) Mají protony a neutrony nějakou vnitřní strukturu?
5) Proč mají proton a neutron nepatrně rozdílné hmotnosti, zatímco elektron je mnohem lehčí než obě tyto částice? A jak to, že neutrino nemá hmotnost žádnou? Co je to mion a kdo si jej objednal?
6) Jaký je vztah mezi obecnou relativitou a kvantovou teorií?
7) Jak bychom měli správně chápat kvantovou teorii?

Pokus o odhad budoucího vývoje vědeckého poznání začněmě třeba u kvantové teorie. V současnosti jsou vyvíjeny nové účinné postupy, jež skýtají příslib významného rozšíření režimu, v němž lze kvantovou teorii experimentálně testovat – jde především o postupy související s vývojem kvantových počítačů. Tyto počítače jsou makroskopická zařízení využívající kvantových jevů, například superpozice a propletení, díky nimž mohou provádět výpočty, jaké by u běžných počítačů nebyly myslitelné. Je nutné, aby tyto jevy – které byly doposud pozorovány pouze u systémů atomárních rozměrů – v kvantovém počítači fungovaly i v makroskopických měřítkách, například v rámci počítačových obvodů. Tyto přístroje pak budou moci testovat takové předpovědi kvantové teorie, které se nejzásadněji rozcházejí s teorií klasickou.
Jelikož bylo prokázáno, že kvantové počítače by mohly prolomit všechny šifry, které dnes používají vlády, armády a obchodní organizace, investuje se do jejich výzkumu spousta peněz. Lze tedy předpokládat, že pokud po extrapolaci kvantové mechaniky na makroskopickou úroveň zůstane zachována její platnost, budeme mít za padesát let k dispozici kvantové počítače a pravděpodobně také zařízení pro kvantovou komunikaci, která budou využívat kvantové stavy nelokálně rozprostřené po celé zeměkouli. A je-li současná kvantová teorie pouhou aproximací nějaké hlubší teorie, přijdeme na to zřejmě právě díky experimentům s kvantovými počítači. Je tedy vcelku rozumné se domnívat, že za padesát let ode dneška budeme znát odpověď na otázku číslo 1.
Obraťme nyní pozornost ke kosmologii. V polovině tohoto století již určitě budeme mít k dispozici podrobný obrázek historie vesmíru, založený jak na pozorováních v plném rozsahu elektromagnetického spektra, tak i na monitorování neutrin, kosmického záření a gravitačních vln. Parametry současných kosmologických modelů budou změřeny s vysokou přesností a my se o vesmíru dozvíme spoustu nových informací, například počet černých děr nebo časoprostorová rozložení hvězd, galaxií, černých děr, neutronových hvězd, kvasarů, zdrojů záření gama a dalších objektů. Ve skutečnosti budeme znát historii a vlastnosti vesmíru zřejmě podrobněji, než jak známe dnes historii povrchu naší planety. Lze říci, že přinejmenším díky samozřejmosti, s jakou budeme přijímat celou škálu vesmírných jevů, se budeme ve vesmíru cítit doslova jako doma.
Výsledky budoucích pozorování vymezí a upřesní současné teorie raného vesmíru, například teorii inflace.. Budeme mít rovněž podrobné informace o tom, jak se zformovaly galaxie a struktury galaktických kup a superkup. Dokonce i bez přímého pozorování bude možné korigovat teorie o povaze temné hmoty a temné energie. A možná že v polovině tohoto století budeme už budeme moci pozorovat temnou hmotu a energii i přímo a dozvíme se dost na to, abychom buď potvrdili nebo vyvrátili nejrůznější teorie, které se tento jev pokoušejí vysvětlit.
Někteří čtenáři se zeptají, zda by budoucí pozorování mohla potvrdit teorii velkého třesku. Abychom mohli na tuto otázku odpovědět, musíme nejprve rozlišit dva významy kosmologie velkého třesku. Té první budu říkat teorie rozpínajícího se vesmíru – je to teorie, že vesmír kdysi existoval v mnohem hustším a teplejším stavu a před zhruba 13 miliardami let se začal rozpínat. Ke klíčovým dějovým zvratům tohoto dramatu patří oddělení světla a hmoty v okamžiku, kdy se již vesmír ochladil natolik, aby mohly být atomy stabilní. Předtím, po dobu asi miliónu let, vyplňovala vesmír plazma, podobně jako tomu je uvnitř hvězdy. Od onoho zlomového momentu obsahuje vesmír velmi rozptýlený plyn, prostupný pro světlo, z něhož se zformovaly všechny struktury, které dnes vidíme – hvězdy a jejich planety, galaxie, galaktické kupy. V oné době také vznikly téměř všechny chemické prvky. Předtím existovalo pouze helium a další lehké prvky jako deuterium a lithium. Dle mého názoru není pravděpodobné, že se rámcový scénář tohoto příběhu v příštích padesáti letech nějak změní. Budeme vědět daleko více o procesu zrodu hvězd, galaxií a prvků, ale všechny důkazy budou stále podporovat teorii rozpínajícího se vesmíru.
Lze rovněž s jistotou říci, že budeme mít k dispozici výsledky pozorování, které významně upřesní naše domněnky o tom, co se přihodilo na samotném počátku vesmíru. Obrátíme-li běh dějin, bude hustota a teplota stoupat. Je zajímavé spekulovat na téma, kam až můžeme zajít, abychom své teorie ještě dokázali ověřit prostřednictvím pozorování. Je pravděpodobné, že v polovině tohoto století se ověřitelná část teorie posune přinejmenším až k Planckově času po velkém třesku, intervalu tak krátkému, že do jedné vteřiny by se jich vešlo 1043. Vezměme si například takovou inflační hypotézu. Za určitého množství rozumných předpokladů se předpovědi této teorie dají ověřit pomocí současných pozorování mikrovlnného záření kosmického pozadí. Tato pozorování představují jeden z nejzářivějších úspěchů soudobé vědy. Ale i když současná pozorování teorii inflace potvrzují, zůstává zde řada nezodpovězených otázek. Závěry vyplývající z teorie inflace jsou vcelku prosté a daly by se stejně dobře vysvětlit i pomocí jiných teorií, takže bude třeba přesnějších měření, než budeme moci říci, která z nich má pravdu. Mimoto existuje mnoho různých verzí inflace a k oddělení zrna od plev bude jistě zapotřebí dalších pozorování. My vědci doufáme, že se těchto podrobnějších měření reliktního záření dočkáme nikoliv za padesát, nýbrž již za pět let. Můžeme tedy s vysokou, ne-li stoprocentní, pravděpodobností předpovědět, že za půlstoletí nám nebude možnost testovat teorie rozpínajícího se vesmíru ode dneška až k Planckově času po velkém třesku připadat nikterak vzrušující.
Ale ani Planckův čas ještě není počátkem veškerého času. Teorie rozpínajícího se vesmíru a tvrzení, že velký třesk byl absolutním počátkem vesmíru, jsou dvě zcela rozdílné věci. I když víme, že se vesmír při obráceném běhu času stále zhušťuje a zahřívá až k určitému bodu, snad zlomku vteřiny po jakémsi teoretickém začátku, neznamená to ještě, že se předtím nestalo něco, co celou expanzi nastartovalo. Není tedy vyloučeno, že vesmír existoval, možná v nějaké jiné podobě, již dlouho předtím, než došlo k teoretickému „velkému třesku“. Tyto a podobné hypotézy budu pro lepší orientaci souhrnně nazývat teoriemi počátku vesmíru.
Vědci nyní zkoumají několik různých teorií počátku vesmíru. Všechny se shodují s teorií rozpínajícího se vesmíru a tudíž i se všemi dostupnými výsledky pozorování. Některé z nich, například Hartleova-Hawkingova „vlnová funkce vesmíru“ předpovídá (či lépe, domnívá se), že velký třesk byl skutečně prapočátkem času. Jiné, například myšlenka, že kolapsem černých děr vznikají nové vesmíry, postulují, že před velkým třeskem již existoval jakýsi vesmír, a že to, co se v něm odehrávalo, podmínilo vlastnosti našeho vesmíru, který z velkého třesku vzešel. Je možné, nikoliv ovšem jisté, že objevíme důkazy korigující tyto teorie až k definitivní odpovědi na otázku, zda před velkým třeskem skutečně něco existovalo, či nikoliv. Takové důkazy budeme moci získat jedině prostřednictvím zkoumání nejrannější fáze expanze vesmíru pomocí gravitačních vln, protože tehdy byl vesmír pro všechny ostatní formy záření neprostupný. Astronomie gravitačních vln se v současné době vyvíjí, zatím však nebyly žádné gravitační vlny zaznamenány. Byly předloženy návrhy na stavbu vesmírných detektorů gravitačních vln, které by měly být teoreticky schopny prostřednictvím gravitačního záření udělat snímek vesmíru v Planckově času, a pomoci tak rozhodnout spor mezi rozdílnými teoriemi původu vesmíru. V polovině tohoto století bude tato technologie možná již na světě, není to však v žádném případě jisté.
Pojďme se dále věnovat fyzice elementárních částic. Zde jsou ve hře především ekonomická omezení. Pokud nedojde k nějakému převratnému objevu v technologii urychlování částic, nebudou již postaveny žádné významně větší urychlovače než ty, které se budují dnes a jejichž rozpočty dosahují několika miliard dolarů. Problém je v tom, že mezi nárůstem energie a množství peněz je logaritmický vztah, takže pokud chcete zvýšit množství energie desetkrát, musíte navýšit rozpočet přibližně stonásobně. Můžeme tudíž s jistotou předpovědět, že pokud někdo nepřijde s novou technologií, dostaneme se v polovině tohoto století na úroveň nanejvýš o dva až tři řády vyšší co do energie a menší co do velikosti než dnes. Ovšem i takový skromný nárůst povede k mnoha novým objevům, například Higgsova bosonu, což je částice, která by teoreticky měla být zodpovědná za nastavení hmotností všech pozorovaných elementárních částic. Rovněž bychom měli být schopni potvrdit či vyvrátit hypotézu supersymetrie, což je klíčový aspekt teorie strun. To vše představuje sice významný pokrok, ale i přesto budeme stále u rozměrů 1015 krát větších než Planckova délka, kterou musíme prozkoumat, abychom mohli přímo otestovat kvantové teorie gravitace. Znamená to, že o kandidátech na kvantovou gravitaci, jakými jsou teorie strun a smyčková kvantová gravitace, nebude rozhodnuto ani za padesát let ode dneška?
Možná ne! Možná že nová technologie již umožňuje zkoumat rozměry srovnatelné s Planckovou délkou. K tomuto závěru vede následující úvaha: některé kvantové teorie gravitace předpovídají, že prostor a čas mají nespojitou atomární strukturu. Je-li tomu skutečně tak, měnil by se v důsledku toho způsob, jakým se foton pohybuje v prostoru – podobně jako se rozkládá či láme světlo procházející vodou. Tento vliv je nesmírně malý, má však kumulativní tendenci a zesiluje se úměrně se vzdáleností, kterou foton urazí. Naštěstí dokážeme snadno pozorovat fotony pocházející z vysoce energetických událostí (například výbuchů gama záření), které k nám cestovaly napříč miliardami světelných let. V těchto a několika dalších případech mohou být efekty, jež některé teorie kvantové gravitace předpovídají, dostatečně významné na to, abychom je dokázali zaznamenat. Dokonce již existují tvrzení, že jisté zaznamenané aspekty chování vysoce energetického kosmického záření lze vysvětlit působením kvantové časoprostorové struktury prostoru o Planckově délce.
Měl bych zdůraznit, že zde mluvím o současných měřeních prostřednictvím družic, které jsou navrženy k jiným druhům pozorování. S družicemi, jež by byly určeny výhradně k tomuto účelu, bychom mohli prozkoumat Planckovu délku během příštích deseti let. Pokrok v této oblasti je podmíněn především zvýšením přesnosti detektorů a já si nejsem vědom žádných přirozených ani ekonomických omezení přesnosti detektorů vysoce energetických protonů, která by mohla zabránit tomu, aby tuto novou metodu použili při podrobném průzkumu struktury časoprostoru v Planckově měřítku. V případě kosmického záření budeme muset čelit omezením ekonomickým: paprsky kosmického záření jsou tím vzácnější, čím vyšší mají energii, takže k zachycení paprsků s vyšší energií bude potřeba větších detektorů. Ty, které jsou navrženy a vyvíjeny dnes, budou nicméně stačit k tomu, abychom mohli studovat energetická rozmezí relevantní pro posouzení platnosti jednotlivých kvantových teorií gravitace. I zde budeme mít v roce 2050 velmi kvalitní data.
Teorii strun, která je považována za jednoho z hlavních kandidátů na kvantovou teorii gravitace, kritizují vědci za to, že předkládá jen málo ověřitelných předpovědí. Pár už jich však přece jen učinila, přičemž jedna z nich předjímá výsledky příslušných pozorování – tyto výsledky musejí odpovídat vesmíru s hladkou strukturou. To vyžaduje symetrická povaha Lorentzovy invariance. Ostatní kvantové teorie gravitace předpovídají, že tuto symetrii narušují či pozměňují nepatrné vlivy. Rozdíly mezi předpověďmi jednotlivých teorií se pohodlně vejdou do sféry toho, co bude možné novými metodami otestovat. Možná tak dojde k tomu, že za pár let bude teorie strun či některá z jejích konkurenčních teorií díky pozorováním vyvrácena.
Zde je tedy výsledek našeho stručného přehledu možných budoucích experimentů. Zdá se být pravděpodobné, že budeme mít k dispozici kvalitní data, která vymezí odpovědi na otázky číslo 1 a 2 (problematika kvantové teorie a kvantové gravitace) a číslo 6 a 7 (kosmologie a astrofyzika). Údaje potřebné k ověření teorií o původu vesmíru možná získáme, možná ne. Astronomie gravitačních vln může odhalit informace pocházející z doby před velkým třeskem, pokud tedy taková doba skutečně existovala, ale vzhledem k nejisté situaci, v jaké se tento obor zatím nachází, je to jen odhad bez záruky.
Zbývají nám tedy otázky 3 a 4. Ty se ptají na důvod, proč parametry fyzikálních částic, například hmotnosti elementárních částic a síly jejich vazeb, nabývají příslušných hodnot. Zde je situace nejasná. Přestože dnes již máme k dispozici spoustu relevantních dat, na tyto otázky zatím odpovědět neumíme. Vývoj v oblasti fyziky částic, který bude ověřitelný pomocí příští generace urychlovačů, nám snad pomůže porozumět tomu, proč mají částice takové hmotnosti a vazby, jaké mají. Není však vůbec jisté, zda nám bude prozkoumání několika řádů navíc stačit k tomu, abychom došli k jednoznačnému závěru.
Je rovněž možné, že na tyto otázky odpovídá kvantová teorie gravitace, která byla původně podnětem ke zformulování teorie strun, i když zatím to tak nevypadá. Namísto toho současné teoretické důkazy spíše napovídají tomu, že kvantové teorie gravitace, například teorie strun, jsou kompatibilní s širokou škálou možných vlastností elementárních částic. Je to dáno tím, že v našem pátrání po odpovědích jde spíše o to, jaké řešení dané teorie popisuje náš vesmír, než o to, která ze soupeřících stran má pravdu. Zdá se, že každá teorie má mnoho řešení a každé z nich předkládá možný popis vesmíru.
To některé z nás dovedlo k hypotéze, že vesmírů je ve skutečnosti mnoho. Nebo spíš že je jen jeden vesmír, který však zahrnuje mnoho oblastí, z nichž se každá podobá té naší. Každá se zrodí z velkého třesku a poté expanduje, přičemž se uspořádá tak, jak velí fyzikální zákony. Dnes existují zhruba dva druhy teorií mnoha světů. První prostě jen postulují, že svět se skládá z velkého počtu vesmírů, přičemž v každém z nich jsou fyzikální zákony, či alespoň parametry těchto zákonů, stanoveny náhodně. Tyto hypotézy souhrnně spadají pod antropický princip. Druhý typ teorie říká, že v důsledku vzniku černých děr dochází ke zrodu nových vesmírů. Tato teorie zvaná kosmologický přirozený výběr, se tak trochu podobá vývojové biologii, neboť podle ní budou nejběžnějšími druhy vesmírů takové, které vytvoří nejvíce kopií sebe samých.
Z těchto dvou hypotéz není antropický princip ověřitelný vůbec, zatímco přirozený výběr je vyvratitelný, nikoliv však prokazatelný, tedy alespoň ne pomocí současné technologie. Abychom tuto teorii mohli potvrdit, nikoliv pouze vyvrátit, museli bychom prozkoumat dobu před velkým třeskem. Může se nám to podařit pomocí gravitačních vln, ale jak už jsem naznačil, před rokem 2050 k tomu nejspíš nedojde. Takže platnost teorie přirozeného výběru nemusí být potvrzena ani v případě, že přežije všechny zkoušky, které si na ni vědci během následujících padesáti let vymyslí.
Může se samozřejmě stát, že lidé přijdou s novými teoriemi a technologiemi, které celou situaci naprosto změní. My jsme se však dohodli, že budeme konzervativní a vezmeme v úvahu pouze existující znalosti. Mám-li riskovat odhad založený na této konzervativní analýze, řekl bych, že za padesát let ode dneška již budeme znát odpovědi na přinejmenším pět ze sedmi výše uvedených otázek. Ale zda budeme znát odpovědi i na otázky 3 a 4, to je ve hvězdách. Je totiž možné, že sice budeme ovládat kvantovou teorii, rozumět podstatě velkého třesku, přijdeme se správnou formulací kvantové teorie a shodneme se na ní, ale přesto nebudeme moci odpovědět na prostou otázku, která byla položena už poměrně dávno, ve třicátých letech dvacátého století: Proč mají proton a neutron téměř totožnou hmotnost a proč zrovna neutron je z nich nepatrně těžší?

Úryvek knihy
John Brockman
Příštích padesát let
Věda v první polovině 21. století
Kniha právě vychází v nakladatelství Dokořán, http://www.dokoran.cz

Překlad Aleš Drobek, váz. s přebalem, 272 stran, 298 Kč, ISBN 80-7363-001-X, řada Aliter
Anotace vydavatele
Tento významný projekt přináší v 25 původních esejích pohled na příštích padesát let pokroku lidského vědění a dopadů tohoto pokroku na osud lidstva. Nejde o módní prognostické fantazírování, které by jen prodloužilo křivku současných trendů, ani o hádání z křišťálové koule: přední vědci a myslitelé z těch nejexponovanějších oborů zde podávají kvalifikovaný vhled do vnitřní struktury a dynamiky rozvoje svých specializací i jejich mezioborových vazeb vývoje, z něhož vyjdou revoluční změny blízké budoucnosti. Autor projektu a pořadatel knihy je zakladatelem Edge Foundation, diskusního fóra pro mezioborovou spolupráci špičkových vědců.

autor