Student World

Myšlenku spojit spontánní narušení symetrie s kalibračními teoriemi vyslovili v roce 1962 François Englert a Robert Brout z Bruselu. O několik měsíců později na ni nezávisle přišel Peter Higgs z Edinburgské university. Právem by se tedy mělo mluvit o EBH jevu, ujal se však název Higgsův jev. (Je to jeden z řady příkladů, kdy se něco ve vědě jmenuje podle svého posledního, nikoli prvního, objevitele.) Všichni tři také ukázali, že důsledkem spontánního narušení symetrie je existence částice, dnes nazývané Higgsův boson.

O pár let později, v roce 1967, zkonstruovali nezávisle na sobě Američan Steven Weinberg a pakistánský fyzik Abdus Salam užitím kombinace kalibračního principu a spontánního narušení symetrie konkrétní teorii, sjednocující elektromagnetické pole a slabou jadernou interakci. Teorie nese jejich jméno, Weinberg-Salamův model elektroslabé interakce. To už byla unifikace, jejíž důsledky představovaly důvod k oslavě – vyplynuly z ní zcela nové jevy, které byly záhy experimentálně ověřeny. Jejím důsledkem je například skutečnost, že musí existovat částice analogické fotonu, přenášející slabou jadernou sílu. Jsou tři a označují se písmenky W⁺, W^– a Z. Experimentálně se prokázala nejen jejich existence, ale i že mají přesně takové vlastnosti, jaké předpovídá teorie.

Objev spontánního narušení symetrie měl zásadní důsledky nejen pro přírodní zákony, nýbrž i pro obecnější problém, co vlastně přírodní zákony jsou. Do té doby se věřilo, že vlastnosti elementárních částic jsou přímo určeny nějakými provždy danými přírodními zákony. Teorie spontánního narušení symetrie však vnesly do hry nový prvek – vlastnosti částic částečně závisejí na jejich historii a prostředí. Symetrie se totiž může narušit mnoha způsoby, výběr ovlivňují konkrétní podmínky jako třeba hustota či teplota. Obecněji, vlastnosti částic nezávisejí jen na rovnicích teorie, ale i na tom, které jejich řešení se v našem vesmíru uskuteční.

To znamená určitý ústup od obvyklého redukcionismu, podle něhož jsou vlastnosti elementárních částic věčné a dané absolutním zákonem. Otevírá to možnost, že některé – a možná všechny – vlastnosti elementárních částic jsou podmíněné a že závisejí na tom, které řešení základních zákonů se realizuje v naší části vesmíru či naší éře. V různých oblastech vesmíru by mohly být různé a mohly by záviset i na čase.⁴

Ve spontánním narušení symetrie vystupuje fyzikální veličina, jejíž hodnota určuje, jak byla symetrie narušena. Veličina má polní charakter a říká se jí Higgsovo pole. Weinberg-Salamův model vyžaduje jeho existenci, jež se projevuje existencí částice zvané Higgsův boson. Tato částice přenáší sílu s Higgsovým polem spojenou. Je to jediná předpověď tohoto sjednocení elektromagnetického a slabého pole, která ještě nebyla experimentálně ověřena. Jednou z potíží, na niž zde narážíme, je skutečnost, že teorie přesně nepředpovídá hmotnost Higgsova bosonu. Tato hmotnost se stává jednou z volných konstant v teorii, která by se měla stanovit. Pro hledání Higgsova bosonu byla navržena řada experimentů, zatím ale víme jen to, že pokud existuje, pak jeho hmotnost musí být větší než 140násobek hmotnosti protonu. Pátrání po Higgsově bosonu je jedním z hlavních cílů experimentů na nejvýkonnějších urychlovačích.

Krátce po roce 1970 byl kalibrační princip užit i na silnou jadernou sílu svazující kvarky a zjistilo se, že i za tuto sílu zodpovídá kalibrační pole. Výsledné teorii se říká kvantová chromodynamika, zkráceně QCD. (Písmeno Q zde znamená „quantum“ a chromo je odvozeno z řeckého slova pro barvu. Kvarky totiž vystupují ve třech verzích, jež se formálně označují jako barvy. Jedná se více méně o žert, s barvou v běžném smyslu nemají barvy kvarků nic společného.) Také QCD odolala velmi přesným experimentálním testům. Spolu s Weinberg-Salamovým modelem proto dnes tvoří standardní model elementárních částic.

Objev, že všechny tři negravitační síly jsou odvoditelné z jediného sjednocujícího principu – kalibračního principu – je velkým úspěchem teoretické fyziky. Jeho autoři jsou opravdoví hrdinové moderní vědy. Standardní model je výsledkem dlouhé, často frustrující, experimentální a teoretické práce stovek lidí v průběhu několika desetiletí. Byl dokončen v roce 1973 a od té doby odolává všemožným útokům za strany nových experimentů. My fyzikové se jím právem pyšníme.

Všimněme si však, co se dělo potom. Vědělo se už, že nejen elektroslabá interakce, ale i silná interakce jsou důsledkem téhož principu, a zdálo se tedy jasné, že by se měly spolu sjednotit. Ke sjednocení všech částic ovšem potřebujeme velkou symetrii, která je všechny zahrnuje. Pak bychom aplikovali kalibrační princip a z něho bychom dostaly zmíněné tři síly. Abychom částice a síly mezi nimi opět rozlišily, uděláme to tak, že každá konfigurace systému s plnou symetrií je nestabilní a stabilní konfigurace jsou asymetrické. To není těžké zařídit, neboť víme, že symetrické konfigurace v přírodě nestabilní jsou. Symetrie zahrnující všechny částice v přírodě se tedy spontánně naruší, což lze udělat tak, aby tři síly skončily s takovými vlastnostmi, jaké pozorujeme.

Cílem tohoto velkého sjednocení nebylo jen dát všem silám jednotný základ, nýbrž najít symetrii, která převrací kvarky (interagující silně) v leptony (na něž působí jen slabá interakce). Sjednotit tedy všechny částice, aby zůstal pouze jeden druh částic a jedno kalibrační pole. Za nejslibnějšího kandidáta pro zmíněné velké sjednocení se pokládala symetrie označovaná jako SU(5). V označení je zakódováno, že symetrie přeuspořádává celkem 5 druhů částic: tři barevné kvarky jednotlivých typů a dva leptony (elektron a jeho neutrino). Teorie SU(5) nejenže sjednocovala kvarky a leptony, ale dělala to i s výjimečnou elegancí. Vysvětlovala konzistentně vše, co vystupovalo ve standardním modelu a činila nezbytnými věci dříve nahodilé. Všechny předpovědi standardního modelu z ní vyplývaly a navíc dělala i některé předpovědi nové.

Jednou z nových předpovědí byla existence procesů měnících kvarky v elektrony a neutrina, protože v SU(5) jsou kvarky, elektrony a neutrina jen různými projevy jednoho základního druhu částic. Už jsme viděli, že když se dvě veličiny sjednotí, musí existovat procesy převádějící jednu ve druhou. SU(5) skutečně takové procesy předpovídá; jsou určitou analogií radioaktivního rozpadu. To je skvělý výsledek, charakteristický pro velké sjednocení – a teorie ho jednoznačně vyžaduje.

Rozpad kvarku na elektrony a neutrina by měl pozorovatelné důsledky. Proton obsahující kvark už není jen proton – sestává z něčeho jednoduššího. Protony proto nejsou stabilní částice – podléhají jakoby radioaktivnímu rozpadu. Kdyby se to dělo často, náš svět by se celý rozpadl – vše stabilní v něm je totiž tvořeno protony. Rychlost rozpadu protonu, pokud k němu dochází, musí být tudíž velmi malá. A právě to teorie předpovídá. K jednomu rozpadu podle ní dojde jednou za 10³³ let.

Přes neobyčejnou řídkost rozpadu to však lze experimentálně ověřit, protože na světě existuje nesmírné množství protonů. SU(5) tedy představovala sjednocující teorii toho nejlepšího typu: předpovídala udivující výsledky, nebyla v rozporu se známými fakty a dala se okamžitě ověřit. Extrémní vzácnost rozpadu protonů se dá vykompenzovat tím, že se jich sleduje hodně. Postaví-li se veliká nádrž naplněná superčistou vodou, máme šanci, že někde v nádrži dojde k rozpadu protonu několikrát do roka. Nádrž se musí odstínit od kosmického záření – toto záření, jež stále bombarduje zemi, totiž může protony také rozbít. A pak stačí rozmístit v nádrži detektory a čekat. Při rozpadu protonu by se totiž uvolnilo značné množství energie a tu by bylo možné zaznamenat. Byly získány dostatečné finanční prostředky, v dolech hluboko pod povrchem se vystavěly nádrže a netrpělivě se čekalo na výsledek.

Uplynulo pětadvacet let a my čekáme pořád. Žádný rozpad protonu nebyl zaznamenán. Čekali jsme už dost dlouho, abychom mohli zodpovědně říci, že velké sjednocení SU(5) je chybné. Byla to krásná myšlenka, příroda ji však podle všeho nepřijala.

Nedávno jsem se setkal s přítelem z doktorských studií, Edwardem Farhim, který se zatím stal ředitelem Centra pro teoretickou fyziku na MIT (Massachusettském technologickém institutu). Už jsme se spolu vážněji nebavili tak dvacet let, ale pro rozhovor jsme našli spoustu zajímavých námětů. Diskutovali jsme, k jakému pokroku došlo v částicové fyzice za poslední čtvrtstoletí od doby, kdy jsme získali doktorát. Eddie dosáhl důležitých výsledků v částicové fyzice, nyní se však věnuje převážně rychle se rozvíjejícímu výzkumu kvantových počítačů. Zeptal jsem se ho proč a on řekl, že narozdíl od fyziky částic v kvantovém počítání známe principy, umíme z nich vyvozovat důsledky a naše vývody můžeme testovat experimentem. Pokoušeli jsme se vysledovat, v jakém okamžiku přestala být fyzika elementárních částic tím rychle se rozvíjejícím oborem, který nás tak fascinoval během našich doktorských studií. Shodli jsme se, že bodem obratu bylo zjištění, že se proton nerozpadá tak, jak předpovědělo velké sjednocení SU(5). „Byl bych vsadil svůj život – no možná ne život, ale víš, jak to myslím – na to, že se protony rozpadají,“ říkal. „SU(5) byla tak nádherná teorie, všechno tam do sebe tak krásně zapadalo – ale ukázalo se, že neplatí.“

Důsledek tohoto negativního výsledku nemůžeme podceňovat. SU(5) je ten nejelegantnější způsob, jak sjednotit kvarky a leptony, a vede k jednoduché kodifikaci vlastností standardního modelu. I po čtvrtstoletí mě udivuje, že nefunguje.

Ne že by pro nás teoretiky bylo obtížné tento neúspěch obejít. Přidáme více symetrií, takže se objeví více volnýchkonstant. S více vhodně zvolenými konstantami zajistíme, že se proton rozpadá tak vzácně, jak si budeme přát, takže tím teorii snadno obrníme proti zmíněnému experimentálnímu neúspěchu.

Ale škoda už se stala. Přišli jsme o šanci pozorovat překvapivý důsledek nové hluboké myšlenky. Ve své nejjednodušší verzi předpovídalo velké sjednocení rozpad protonu. Kdyby bylo velké sjednocení přeci jen správné, ale komplikované a mohli bychom si v něm dobu rozpadu protonu libovolně nastavit, ztratilo by svou unikátní vysvětlující hodnotu. Nadějí do velkého sjednocení vkládanou bylo, že dokáže určit hodnoty konstant ve standardním modelu. Místo toho, pokud vůbec je správné, zanáší do teorie dodatečné konstanty, které musíme doladit, abychom vyloučili nesouhlas s experimentem.

Ilustruje to obecné poučení popsané dříve. Když sjednocujeme částice a pole, riskujeme, že svět zamoříme nestabilitou. Je to proto, že zavedeme nové interakce, které mohou jednu částici měnit v druhou. Nemůžeme se jim vyhnout, tyto procesy jsou ve skutečnosti potvrzením správnosti sjednocení. Jde jen o to, zda se jedná o dobrý případ – jakým byl standardní model – dávající jednoznačné a rychle potvrditelné předpovědi, nebo o špatný případ, kdy musíme nepřirozeně s teorií manipulovat, abychom se vyhnuli nepřijatelným důsledkům. To je dilema všech moderních teorií sjednocení.

1. díl úryvku

2. díl

Tento text je úryvkem z knihy

Lee Smolin: Fyzika v potížích

O knize na stránkách vydavatele

autor