Náš poslední experiment?

Fyzika | 09.02.2005

Podmínky v urychlovači částic napodobují v mikroskopickém měřítku ty podmínky, které panovaly první mikrosekundu po velkém třesku, kdy byla veškerá hmota ve vesmíru stlačena do podoby takzvané kvarkové-gluonové plazmy. Někteří fyzikové se ptají, zda by tyto experimenty nemohly vést k daleko horším koncům než jen k rozbití několika atomů – zda by nemohly zničit Zemi, či dokonce celý vesmír.

Sdílet

Fyzikové se snaží porozumět částicím, z nichž se skládá náš svět, i silám, jimž tyto částice podléhají. Touží po tom, aby mohli prozkoumat nejextrémnější energie, tlaky a teploty – proto také postavili gigantické a nesmírně složité urychlovače částic. Ideální metodou, jak opravdu intenzivně koncentrovat energii, je urychlit atomy téměř až na úroveň rychlosti světla a pak je přimět ke srážce. K tomu účelu jsou nejvhodnější velmi těžké atomy. Kupříkladu atom zlata je téměř dvěstěkrát hmotnější než atom vodíku – jeho jádro obsahuje 79 protonů a 118 neutronů. Ještě těžší je jádro atomu olova – 82 protonů a 125 neutronů. Pokud se srazí dva takto těžké atomy, protony a neutrony v jejich jádře implodují; výsledný tlak a hustota těchto částic pak daleko přesahují hodnoty před implozí. Zhroucené protony a neutrony se pak mohou rozpadnout na ještě menší částice. Podle teorie se každý proton a neutron skládá ze tří kvarků, takže se při takové srážce uvolní přes tisíc kvarků. Podmínky v urychlovači částic napodobují v mikroskopickém měřítku ty podmínky, které panovaly první mikrosekundu po velkém třesku, kdy byla veškerá hmota ve vesmíru stlačena do podoby takzvané kvarkové-gluonové plazmy.
Někteří fyzikové se ptají, zda by tyto experimenty nemohly vést k daleko horším koncům než jen k rozbití několika atomů – zda by nemohly zničit Zemi, či dokonce celý vesmír. Tomuto tématu se věnuje román Gregory Benforda COSM, v němž během experimentu v Brookhavenské laboratoři dojde ke zničení urychlovače a vzniku nového mikrovesmíru (který naštěstí uzavřen v tak malé kouli, že jej jeho tvůrce, vysokoškolský student, může nosit v kapse).
Pokus, při němž by došlo k vyprodukování dosud nevídané koncentrace energie by mohl vést ke třem různým katastrofálním koncům (jedná se o teoretickou a vysoce nepravděpodobnou možnost).
Za prvé by mohla vzniknout černá díra, která by pohltila všechno kolem sebe. Z Einsteinovy teorie relativity vyplývá, že množství energie potřebné ke vzniku i té nejmenší černé díry dalece přesahuje možnosti dnešních urychlovačů. Některé nové teorie však připouštějí, že mimo naše tři prostorové dimenze mohou existovat ještě další5; v takovém případě by gravitace byla podstatně silnější a malý objekt by se mohl zhroutit do černé díry snáze, než jsme si původně mysleli. Tytéž teorie však tvrdí, že takovéto díry by byly zcela neškodné, neboť by se téměř okamžitě po vzniku rozpadly.
Druhou hrozivou eventualitou je to, že kvarky by se mohly znovu spojit a vytvořit velmi stlačený objekt zvaný strangelet (česky snad podivnůstka). Ten by sám o sobě nebyl nebezpečný – měl by být mnohem menší než atom – ale je zde riziko, že přemění vše, s čím přijde do styku, v novou, podivnou formu hmoty. V románu Kurta Vonneguta Kolíbka6 vytvoří výzkumný pracovník Pentagonu novou formu ledu, takzvaný led číslo devět, který netaje ani při pokojové teplotě. Jakmile však unikne z laboratoře, „nakazí“ obyčejnou vodu, takže ztuhnou všechna moře a oceány. Podobně by i náš hypotetický strangelet mohl přeměnit celou naši planetu v mrtvou superhustou kouli o průměru zhruba sta metrů.
Třetí nebezpečí pokusů s urychlovači je ještě exotičtější a potenciálně nejhrozivější – jeho důsledky by totiž postihly celý vesmír. Prázdný prostor, odborně vakuum, není jen pouhou nicotou. Vakuum je arénou všech myslitelných dějů – v latentním stavu se v něm skrývají všechny síly a částice, z nichž se skládá náš svět. Někteří fyzikové se domnívají, že prostor může existovat v různých fázích, stejně jako se voda může vyskytovat ve třech různých skupenstvích – pevném, tekutém a plynném. Současné vakuum může navíc být velmi křehké a nestabilní podobně jako třeba podchlazená voda: pokud je voda dostatečně čistá a klidná, lze ji ochladit na teplotu pod bodem mrazu, pak ale stačí i malý lokální podnět – například zrnko prachu – a podchlazená voda zmrzne v led. Obdobné úvahy vedou některé experty k domněnce, že vysoká koncentrace energie vytvořená srážkou atomů by mohla odstartovat takzvaný fázový přechod, který by narušil samotnou strukturu prostoru. Hranice nového vakua by se šířila jako expandující bublina a atomy by uvnitř nemohly existovat. Tato bublina by pohltila naši Zemi, pak okolní vesmír a nakonec by se rozšířila po celé Galaxii a dál. My bychom si svůj konec ani nestačili uvědomit. Vlna nového vakua by se totiž šířila rychlostí světla a zasáhla nás nepřipravené a bez varování. Taková událost by měla katastrofické následky nejen pro naši Zemi, ale i pro celý vesmír.
Podobné scénáře se mohou zdát poněkud bizarní, ale fyzikové o nich mluví s vážnou tváří. Může nás uklidňovat, že podle nejpreferovanějších teorií je toto riziko nulové. Stoprocentně jisti si však být nemůžeme: fyzikové mohou klidně přijít s alternativními teoriemi (a dokonce i vymyslet příslušné rovnice), které se budou shodovat se všemi dosavadními poznatky (tudíž je nebudeme moci zcela vyloučit) a budou některý z výše zmíněných katastrofických scénářů připouštět. Takové teorie možná neudělají díru do světa, ale vždy v nás budou vzbuzovat jisté pochybnosti.
Fyzikové se začali o pokusy s vysokými koncentracemi energie zajímat již v roce 1983. Během své návštěvy Institutu pro pokročilá studia v Princetonu jsem se na toto téma bavil se svým holandským kolegou Pietem Hutem, který byl v Princetonu rovněž na návštěvě a později se tam stal i profesorem. (Akademické prostředí tohoto ústavu, v němž byl dlouholetým profesorem například Freeman Dyson, podporuje nekonvenční myšlení a spekulativního ducha.) Hut a já jsme si uvědomili, že jednou z možností, jak zjistit, zda je ten či onen pokus bezpečný, je přesvědčit se, jestli už to příroda neudělala za nás7. Ukázalo se, že podobné srážky, které plánovali experimentátoři v roce 1983, jsou ve vesmíru běžným jevem. Celý vesmír se doslova hemží částicemi známými jako kosmické záření, které se řítí prostorem téměř rychlostí světla. Tyto částice neustále narážejí do jiných atomových jader s ještě větší prudkostí, než jaké by bylo možno dosáhnout při jakémkoliv myslitelném experimentu. S Hutem jsme došli k závěru, že prostor nemůže být tak křehký, aby jej mohlo narušit cokoliv, co by mohli vytvořit vědci ve svých urychlovačích. Kdyby tomu tak bylo, tak by vesmír nemohl existovat dostatečně dlouho a my bychom zde dnes nebyli. Kdyby se však výkonnost urychlovačů zvýšila stonásobně nebo i více – což je dnes vzhledem k finančním nárokům neproveditelné, ale do budoucna to vzhledem k novým technologiím není vyloučeno – pak by se tyto obavy znovu objevily, pokud bychom ovšem tou dobou nevládli již takovými znalostmi, že bychom na pouhém teoretickém základě mohli stavět daleko spolehlivější předpovědi než dnes.
Tyto pochybnosti se znovu vynořily docela nedávno, když americká Brookhavenská národní laboratoř i evropská CERN v Ženevě ohlásily své plány uskutečnit srážky atomů s větší energií než kdy dříve. Tehdejší ředitel Brookhavenské laboratoře John Marburger (dnes vědecký poradce prezidenta Bushe) požádal tým odborníků, aby tuto možnost blíže prozkoumali8. Experti provedli pár výpočtů, které byly zaměřeny stejným směrem, jakým jsme kdysi v Princetonu uvažovali já a Piet Hut, a došli k uklidňujícímu závěru, že žádný kosmický soudný den vinou narušení časoprostorové struktury nehrozí.
Ovšem hrozbu bezděčného stvoření strangeletů tito fyzikové již tak kategoricky vyloučit nemohli. Ke kolizím o stejné energii ve vesmíru nepochybně dochází, avšak v podmínkách, které se od podmínek plánovaných pozemských experimentů v zásadních aspektech liší. Tyto rozdíly by mohly ovlivnit pravděpodobnost odstartování nekontrolovatelného procesu.
Většina přirozených kosmických srážek se odehrává v mezihvězdném prostoru v prostředí tak „řídkém“, že i kdyby nějaký strangelet vznikl, je velmi nepravděpodobné, že by narazil na další jádro, a rozpoutal tak řetězovou reakci. Od srážek v urychlovači se podstatně liší i srážky atomových jader se Zemí, protože atomová jádra z kosmu končí svou pouť v atmosféře, která neobsahuje těžké atomy olova, zlata či jiného těžkého prvku.
Některá rychle se pohybující atomová jádra však dopadají přímo na pevný povrch Měsíce, kde se takovéto atomy vyskytují. K podobným srážkám docházelo v průběhu celé měsíční historie, a přece je Měsíc stále tady – na základě tohoto nezpochybnitelného faktu nás autoři brookhavenské zprávy uklidňují, že jejich experiment nemůže přivodit zkázu lidstva.
Ale i tyto srážky se od těch, které plánuje Brookhavenská laboratoř, liší v jednom možná velmi důležitém ohledu. Když rychle se pohybující částice dopadne na povrch Měsíce, narazí na jádro v téměř klidovém stavu a přenese na ně svou pohybovou energii. Strangelety, které by při takové srážce vznikl, by se i nadále pohybovaly a řítily by se vpřed skrze měsíční materiál. Naproti tomu experimenty v urychlovačích využívají symetrické srážky, při nichž se k sobě obě částice přibližují čelně. Jejich těžiště zůstává v klidu, takže se vzniklé strangelety nepohybují a mají větší šanci nabalovat na sebe okolní materiál.
Jelikož tyto experimenty probíhají v podmínkách, které se nikde v přírodě nevyskytují, mohou nás uklidňovat jen dva teoretické argumenty. Za prvé i kdyby byly strangelety reálné, není podle teoretiků pravděpodobné, že by mohly vzniknout během prudkých srážek v urychlovačích. Zbytky atomů by se po srážce spíše rozptýlily, než aby se zformovaly do nového objektu. A za druhé se teoretikové domnívají, že pokud by se strangelety přece jen zformovaly, měly by kladný elektrický náboj. Nekontrolovatelnou řetězovou reakci by ale mohly spustit pouze strangelety se záporným nábojem, které by okolní kladně nabitá atomová jádra neodpuzovaly, nýbrž přitahovaly.
Nejpravděpodobnější teoretické odhady jsou tudíž uklidňující. Teoretik Sheldon Glashow a odborník na energetiku a ekologii Richard Wilson celou situaci stručně shrnuli takto: „Pokud strangelety skutečně existují (což není vyloučeno), pokud jsou dostatečně stabilní (což je nepravděpodobné), pokud jsou negativně nabité (přestože teorie se jasně kloní spíše k pozitivnímu náboji) a pokud miniaturní strangelety mohou vzniknout i v brookhavenském urychlovači částic (což je krajně nepravděpodobné), pak bychom měli problém. Není vyloučeno, že nově zrozený strangelet by začal pohlcovat atomová jádra, neustále by rostl a nakonec by zničil celou Zemi. Bez ohledu na to, kolikrát slovo ‚nepravděpodobné‘ zopakujeme, nás asi obavy z totální katastrofy nepřestanou pronásledovat.“