Student World

 Mohla sloužit jako příklad pošetilosti kdysi velkých myslitelů. Ernst Mach nevěřil na atomy, James Clerk Maxwell věřil v éter a Albert Einstein hledal jednotnou teorii pole. Život je těžký.

…

Když padla myšlenka sjednotit čtyři základní síly zavedením dodatečných dimenzí, většina teoretických fyziků se vzdala cíle sjednotit gravitaci s ostatními interakcemi. Dávalo to smysl, protože gravitace je mnohem slabší než ostatní tři síly. Jejich pozornost přitahovalo zoo elementárních částic, které objevovali experimentátoři na částicových urychlovačích. Hledali data pro nové principy, které by sjednotily alespoň různé typy elementárních částic.

Ignorovat gravitaci však znamenalo krok zpět k představě prostoru a času, jaká vládla před Einsteinovou obecnou relativitou. Z dlouhodobého hlediska šlo o nebezpečnou věc, znamenalo to pracovat s již překonanými představami. Mělo to ale podstatnou výhodu – problém se neobyčejně zjednodušil. Hlavním závěrem plynoucím z obecné relativity bylo, že neexistuje žádná fixovaná geometrie prostoru a času. Kdybychom na tento závěr nebrali zřetel, mohli bychom si pozadí prostě. Navracelo to vědu k newtonovskému stanovisku, podle něhož částice a pole sídlí na pevně daném pozadí prostoru a času – pozadí daném jednou provždy. Bez připuštění gravitace se tedy rozvíjely teorie, které jsou závislé na volbě pozadí.

Nebyl to ovšem návrat až k Newtonovi. Bylo možné pracovat s popisem prostoročasu určeným Einsteinovou speciální teorií relativity z roku 1905. Podle ní je geometrie prostoru euklidovská – taková, jakou jsme se učili ve škole. Prostor je ovšem provázán s časem, aby se splnily dva Einsteinovy postuláty: relativita pozorovatelů a konstantnost rychlosti světla. Na tomto pozadí vybudovaná teorie nemůže pojmout gravitaci, ale vytváří dobré jeviště pro Maxwellovu teorii elektrického a magnetického pole.

Jakmile byla úplně formulována kvantová mechanika, obrátili se kvantoví teoretici ke spojení kvantové mechaniky s elektromagnetismem. Protože základní veličinou elektromagnetismu je příslušné pole, výsledku se říká kvantová teorie pole. A protože Einsteinova speciální teorie relativy v sobě zahrnuje teorii elektromagnetismu, lze se na kvantovou teorii pole dívat jako na spojení kvantové mechaniky se speciální relativitou.

Jednalo se o náročnější problém než sestrojit kvantovou teorii částic, neboť pole má svou hodnotu v každém bodě prostoru. Předpokládáme-li, že prostor je spojitý – jak je tomu podle speciální relativity – máme spojité nekonečno proměnných. V kvantové teorii je každá proměnná podrobena principu neurčitosti. Jeho důsledkem je, že čím přesněji se snažíme změřit hodnotu určité proměnné, tím nekontrolovatelněji fluktuuje jiná proměnná. Nekonečný počet nekontrolovatelně fluktuujích veličin se nám může snadno vymknout z rukou. Klademe-li v takové teorii určité otázky, musíme být opatrní, abychom nedostávali odpovědi obsahující nekonečna či nesrovnalosti.

Kvantoví teoretici už věděli, že s každou elektromagnetickou vlnou jsou sdruženy kvantové částice, fotony. Detailně rozpracovat tuto představu trvalo několik let, ale výsledkem byla jen teorie volně se pohybujících fotonů. Následně bylo třeba do ní zabudovat nabité částice, jako jsou elektrony a protony, a popsat jejich interakci s fotony. Cílem byla zcela bezrozporná teorie kvantové elektrodynamiky, označovaná jako QED ( „quantum electrodynamics“). To bylo mnohem obtížnější. Problém QED poprvé vyřešil za druhé světové války japonský fyzik Sin-Itiro Tomonaga, ale zpráva o tom pronikla do zbytku světa až kolem roku 1948. Do té doby byla QED zkonstruována nezávisle na sobě dvěma mladými Američany Richardem Feynmanem a Julianem Schwingerem.

Jakmile jsme QED porozuměli, bylo cílem rozšířit kvantovou teorii pole i na slabou a silnou jadernou sílu. To trvalo další čtvrtstoletí a klíčem k řešení problému se stal objev dvou principů. První ukazuje na to, co má elektromagnetismus společného s nukleárními interakcemi. Jde o kalibrační princip, který všechny tři interakce sjednocuje. Druhým princip vysvětluje, proč se tyto tři síly projevují tak různě, přestože jsou sjednoceny. Hovoří o spontánním narušení symetrie. Tyto dva principy jsou základními kameny standardního modelu fyziky elementárních částic. Jejich aplikace ukázala, že proton a neutron nejsou skutečně fundamentální částice, nýbrž že se skládají z kvarků.

Proton a neutron obsahují tři kvarky, zatímco jiné částice, zvané mezony, obsahují dva (přesněji kvark a antikvark). Kvarky objevili na začátku šedesátých let dvacátého století nezávisle na sobě Murray Gell-Mann z Caltechu (Kalifornského technologického institutu v Pasadeně) a Georg Zweig z CERNu (Evropské organizace pro nukleární výzkum v Ženevě). Krátce nato James Bjorken ze Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) a Richard Feynman z Caltechu navrhli experimenty, později provedené v SLAC, které skutečně prokázaly, že se proton a neutron ze tří kvarků skládají.

Objev kvarků byl základním krokem směrem ke sjednocení, protože interakce protonů, neutronů a dalších částic jsou neobyčejně složité. Byla zde však naděje, že interakce kvarků může být sama o sobě jednodušší a pozorovaná komplikovanost interakce protonů a neutronů pramení z toho, že to jsou složené objekty. Něco podobného jsme už ve fyzice zažili. Síly mezi molekulami jsou složité, silám mezi atomy, které molekuly tvoří, se ale dá vcelku snadno porozumět na základě elektromagnetické interakce. Pro teoretiky to byla pobídka, aby se přestali snažit popisovat síly mezi neutrony a protony a začali zkoumat, jakými silami na sebe působí kvarky. Tento pracovní redukcionismus – stará zkušenost, že zákony vládnoucí částem bývají často jednodušší než zákony řídící celek – se v daném případě vyplatil, protože vedl k objevu hluboké souvislosti mezi jadernými silami a elektromagnetismem. Všechny tři síly jsou důsledkem mocného kalibračního principu.

Kalibračnímu principu nejlépe porozumíme na základě toho, čemu fyzikové říkají symetrie. Jednoduše řečeno, symetrie je operace, která nemění chování něčeho vzhledem k vnějšímu světu. Když například pootočíte jednobarevným míčem, ničeho si nevšimnete, pořád je to stejná koule. Když tedy fyzik mluví o symetrii, může hovořit třeba o operaci v prostoru, jako je rotace, která nemění výsledek experimentu. Může ale obecně hovořit o jakékoli operaci, kterou pozměníme experimentální uspořádání, aniž to má na výsledek vliv. Předpokládejme například, že máme dvě skupiny koček – nazývejme je kočky východní a kočky západní – a že testujeme jejich schopnost skákat. Není-li žádný rozdíl v průměrné výšce jejich skoku, pak můžeme říci, že kočičí skok je symetrický vzhledem operaci výměny západních koček za východní.

Nebo si představme jiný, fyzikální příklad, snad trochu zjednodušený, ale vyjadřující základní myšlenku. Představme si experiment, při němž nasměrujeme svazek urychlených protonů na terč tvořený určitým druhem jader. Jako experimentátor si všímáte obrazce, který se po rozptylu protonů vytvoří. Pak provedete nový pokus, nezměníte energii dopadajících částic ani terč, teď však místo protonů užijete neutrony. V některých případech se charakter rozptylu téměř nezmění. Výsledek říká, že působící síla ovlivňuje protony stejně jako neutrony. Jinými slovy, nahrazení protonů neutrony odhaluje symetrii mezi silami působícími mezi částicemi a jádry.

Pokračování

Tento text je úryvkem z knihy

Lee Smolin: Fyzika v potížích

O knize na stránkách vydavatele

autor