Většinu života se Albert Einstein snažil vybudovat úplnou teorii vesmíru, která by sjednocovala elektromagnetismus a gravitaci. Na tomto úkolu pracoval neúnavně od 20. let až do své smrti v roce 1955. Jeho úsilí však bylo odsouzeno k nezdaru, protože nebral v úvahu jaderné síly.
Einsteinův životní sen
T K O RIE V [C l. K !•: H f» S J \i I) N O C Ľ N
V roce 1915 poskytla Einsteinova obecná teorie relativity nový způsob popisu gravitace, který nahradil starou Newtonovu teorii. Podie Einsteina není gravitace sila v běžném smyslu, ale geometrická vlastnost prostoru určená rozložením hmoty: V blízkosti hmotných objektů se prostor zakřivuje. Einstein mimo jiné předpověděl, že světelné paprsky z hvězdy, litera „zapadne" za sluneční kotouč, Se vlivem gravitace Slunce ohnou. Tento jev byl dramaticky potvrzen při měření během totálního zatmění Slunce v roce 1919, čímž se • Einstein stal doslova přes noc slavným.
Obecná relativita představuje vrchol Einsteinova tvůrčího vzepětí. Tvoří základ moderní kosmologie a je rozšířením jeho starší speciální teorie relativity; tyto dvě teorie navždy změnily náš pohled na prostor, čas a pohyb. Einstein vedle toho přispěl k počátkům kvantové revoluce a poskytl světu klíč k jadernému věku svou slavnou rovnicí E - mc2. Po čem takový vědec mohl zatoužit než po konečné teorii, která by zahrnula celý vesmír do jediného a sjednocujícího popisu?
Snaha o sjednocení interakcí V přírodě existuje pět základních sil či interakci. První sjednoceni úspěšné provedl Maxwell v roce 1864, kdy dokázal, že elektřina a magnetismus jsou jenom různými projevy elektromagnetické sily, která stoji v pozadí chemických reakci i zákonů siřeni světla. K dalšímu sjednoceni došlo v roce J973, kdy byla vytvořena teorie elektroslabé interakce. V současnosti se fyzikové snaží o „teorii velkého sjednoceni", která by zahrnula elektroslabé i silné interakce, a doufají, že dospěji až k „teorii všeho", která pokryje všechny sily včetně gravitace.
TEORIE VŠEHO
A
OJ
Proton
Neutrino
Elektron
Elektron
Neutrino
Častice Z
to
Slabé interakce Na obrázku vlevo je znázorněn klasický rozpad beta, při němž se neutron (dva kvárky d a jeden u) mění ná proton - vyměňuje se částice W, která učiní z kvarku d kvark u, zatímco z neutrina se stane elektron. Při procesu s neutrálním proudem (vpravo) se vyměňuje částice Z. jejími prostřednictvím neutrino „postrčí" kvark nebo (jako na našem obrázku) elektron. V experimentech při vysokých energiích dochází k oběma procesům současně. Ještě před tím, než byla částice Z pozorována přímo, dokázali fyzikové ze srovnáni neutrálních proudů s elektromagnetickými procesy odhadnout její hmotu.
Higgsovo pole
Narušená svíP.eírie nrosforu Za sjednoceni elektroslabé interakce mohou tajemné Higgsovy částice, které „spontánně narušuji" symetrii prázdného prostoru. V kvantové fyzice není ani vakuum úplné prázdně: v souladu s principem neurčitosti je plně přechodně existujících částic, které se neustále objevuji a mizi. Higgsovy částice utiskuji prázdnému prostoru určitou strukturu - tzv. Higgsovo pole - které si můžeme vzdáleně představit jako vlny na vnitřní vrstvě desky z tuhé lepenky. Nehmotné nosiče elektromagnetické sily (fotony)
inkn hu <;e nnhuhnnnlu nnriřl <krijti)rh
zvlněni, což jde snadno, zatímco nosiče slabé interakce (částice W a Z) musí překonávat hrboly a potřebuji k tomu množství dodatečně energie, kterou získají od liiygsova pole a stanou se tak těžkými, liez Higgsova pole by byly fotony i nosiče slabě interakce stejně nehmotné. Fyzikové vědí, že Higgsovy částice existuji, ale zatím zůstává tajemstvím, co je jejich podstatou a jaké maji vlastnosti. Objev těchto částic, které jakoby prorůstají vakuem, je jedním z hlavních cílů současné fyziky vysokých energii.
1
várky jsou doživotně uvězněny - nikdy nemohou uniknou z částic, v nichž je drží nesmírně mohutná síla vznikající z jejich „barevného" náboje. Tato síla se nepodobá žádné z těch, které známe. Je tím slabší, čím jsou si kvarky blíž, a tím silnější, čím dál jsou od sebe.
Doživotní vězení
BAREVNA SILA MEZI KVARKY
Po úspěchu Osminásobné cesty (viz str. 60). kvarkového modelu a objevu omega minus se fyzikové v první polovině 60. let intenzivně věnovali silným interakcím, avšak teorie silových polí se dočasně ocitly mimo hlavní ohnisko zájmu. Úspěšné sjednocení elektroslabých interakcí všem připomnělo, že polní teorie zdaleka nevyčerpaly své možnosti, a tak počátkem 70. let teoretičtí fyzikové na polní teorii silných interakcí znovu zaměřili pozornost. Snažili se vyřešit problém, co drží kvarky uvnitř protonu a neutronu, a vytvořili teorii, která se opírala o speciální „barevný" náboj kvarků (viz str. 60). Teorie dostala název „kvantová chromodynamika" (QCD) podle řeckého slova „chromos" (barva). . '
QCD je v mnoha ohledech podo.bná kvantové elektrodynamice (QED), relativistické kvantové polní teorii elektromagnetické interakce, ale má složitější strukturu. „Barevná" síla mezi kvarky je přenášena osmi časticemi-nosiči, které se nazývají „gluony" a „slepují" kvarky dohromady (angl. glue; - lepidlo). Vlastnosti odpovídající elektrickému náboji v QCD výrazně závisí na prostoru a času - čím menší objem, tím slabší se interakce stává. Naopak, čím je objem větší, tím je interakce silnější, takže je nemožné kvarky od sebe oddělit
Barevné síly mezi kvarky si můžeme představit jako pružné, ale pevné struny; kvarky jsou připojeny na koncích. Dokud není struna napjatá, kvarky se pohybují snadno, ale při hodné natažené struně je velmi těžké ještě více je oddálit. Barevná síla mezi kvarky je i původní příčinou silných sil v jádru, ale na úrovni jádra jde o druhotný jev, kdy výměnnými částicemi jsou mezony a celkové síly jsou snadněji rozpoznatelné než síly mezi kvarky.
Napjatá gluonová pružina
Tříjetový případ
Kvarkový posilovač svalů Silovou vazbu mezi kvarky můžeme přirovnat k velmi silným pružinám. Když leží posilovač svalů volně na stole, můžeme jeho držadly snadno pohybovat. Teprve když pružiny pořádně natáhneme, cítíme odpor. S kvarky je to podobné -čím jsou úd Sebe dál, tím silnější je jejich vazba. Jestliže pružina získá velké množství energie a natáhne se až za určitou hranici, může prasknout a z uvolněného naoěti vzniknou dva
Dvoujetový případ
proudy kvarků ve směru původní napnuté struny, spojené opět „kousky" struny (vpravo). Někdy se kousek gluonové struny „utrhne" a vznikne další sprška částic (vlevo). Tyto spršky z kvarků a gluonů dostaly jméno mjety" a brzy se staly významným nástrojem ke zkoumáni jinak neviditelných kvarků uvnitř srážejících se částic Specifické kombinace jetů a dalších částic jsou poznávacími znaky inerakci nových částic.
Kvarky uvnitř částic Kvarky se spojují BARYONY MEZONY
po třech, čímž vznikají baryony - ' proton, neutron a jejich těžší příbuzní. Proton s kladným nábojem je například tvořen dvěma kvarky up (každý s nábojem +2/3) a kvarkem down (náboj -1/3). Kvarky se také mohou spojovat se svými partnery z antihmoty, antikvarky; tak vznikají mezony jako pion.
3
Fyziku částic dnes úhledné popisuje „standardní model", elegantní způsob, jak porozumět fundamentálním dějům ve vesmíru. Silné a elektroslabé interakce však v tomto obrázku vystupují zcela odděleně a teorie má mnoho neznámých parametrů, takže si lze představit, že by situace mohla být ještě lepší.
Veškrá hmota se skládá z dvanácti druhů elementárních (či základních) částic. Šest z nich jsou kvarky, jež cítí silnou jadernou interakci, a šest leptony, které ji necítí. Těchto dvanáct částic můžeme také rozdělit do tří „rodin" či generací po čtyřech -do každé patří dva druhy kvarků
Standardní model
a dvojice vzájemně si blízkých leptonů.
Z částic první generace (kvarky uzd. elektron a elektronové neutrino) se skládá všechna hmota okolo nás a tyto částice stačí na popis všech běžných procesů. Kvarky u a d vytvářejí protony a neutrony, které jsou stavebními kameny atomových jader. Jádra k sobě
RODINY ELEMENTÁRNÍCH ČÁSTIC
poutají elektrony, tak vznikají atomy, atomy se seskupují do molekul. Tímto způsobem je uspořádáno všech 92 přírodních prvků a více než půl milionu chemických sloučenin, které tvoří pestrou paletu látek, z nichž se skládá okolní svět.
Další dvě rodiny, jež maji podobnou
Rodinná podoba Veškerou hmotu můžeme popsal pomoci sesli kuarků a šesti leptonů seskupených do tři rodin či generaci; do každé patři dua kuarky a dva leptony. Prvni generace vytváři veškerou běžnou hmotu, zatímco druhá a třeli přichází ke slovu pouze při vysokých energiích - v kosmickém zářeni nebo při laboratorních experimentech, ale také při extrémních teplotách v prvních několika vteřinách existence vesmíru (viz sir. 104). Na kvarky působí všechny tři druhy sil - silná, elektromagnetická i slabá. Všechny leptony „cítí" slabou interakci; pokud jsou elektricky nabité, působí na ně i elektromagnetická síla. Neutrina jsou však elektricky neutrální, a interaguji proto pouze slabě.
'■■zprostředkující častíce
gravilon
Každóďrsílu přenáší určitá částice-oosič. Pro elektromagnetickou sílu je to foton, pro slabóirinterakci částice. W a Z, pro silnou interakci gluon a pro gravitační sílu gravi-
strukturu jako prvá generace, vytvářejí nestabilní částice, s nimiž se setkáváme-jen v kosmickém záření nebo při r vysokoenergetických experimentech. Do druhé generace patří kvarky s a c spolu s rhionem a jeho neutrinem, zatímco do třetí kvarky / a b, lepton tau a tau neutrina:
Taková je základní statická „kostra" standardního modelu.'Zdrojem jeho dynamické síly jsou dva nezávislé „motory" - síly, jimž odpovídají další částice, které tyto síly přenášejí. Jednou „pohonnou jednotkou" je sjednocená elektroslabá interakce, na níž se podílí elektromagnetická síla (přenášená fotony) a slabá síla (přenášená částicemi W a Z). Druhou je kvantová chromodynamika, silná interakce mezi kvarky, kterou zprostředkují gluony.
Předpovědi, které tato teorie dává, souhlasí se vším, co se naměřilo v experimentech, a nepřímá měření poskytují meze přesnosti veličinám, jejichž velikost dosud neumíme stanovit přímo. Je však jasné, že standardní model nemůže být konečnou odpovědí -na to má příliš mnoho nedostatků. Nezahrnuje gravitaci, která je převládající silou ve vesmíru na velkých vzdálenostech, a kromě toho je v něm 20 volných parametrů - veličin, jejichž hodnota nijak neplyne ze samotné teorie a musí se stanovit měřením. Patři mezi ně zejména počet a hmotnosti částic a síla jejich interakcí. V principu by standarní mode! mohl zahrnout i více než tři generace, jenže experimenty
na urychlovači elektron-pozitronových vstřícných svazků LEP v CERN vedly v roce 1979 k závěru, že rodiny kvarků a leptonů jsou přesně tři (viz str. 78). Elektroslabé a silné interakce existují ve standardním modelu vedle sebe, ale nemají žádný vzájemný vztah. O sjednocení těchto dvou součástí standarního modelu se snaží teorie velkého sjednoceni (viz str. 64), zatímco zahrnutí gravitace je cílem konečné „teorie všeho".
CHYBĚJÍCÍ HIGGS Částice získávají hmotnost prostřednictvím Higgsova mechanismu, který ovlivňuje všechno - dokonce i vakuum - a specifickým způsobem narušuje odpovídající elektroslabou symetrii (viz str. 66). Příslušné fiiggsovy částice jsou pohlceny elektrosiabými částicemi, které tak „ztěžknou".
Paradoxem standarního modelu je skutečnost, že zatímco všechno ostatní vychází dobře, Higgsův mechanismus zatím zůstává zahalen tajemstvím. Je to ..chybějící článek" současné fyziky a hlavní cil několika nových vysokoenergetických projektů. Názory na Higgsovy částice se různí. Někteří fyzikové soudí, že se skládají ze známých elektroslabých částic, jiní věří, že jde o nové elementární objekty. Higgsův mechanismus se může lišit od všeho, co jsme dosud ve fyzice poznali. Pozorování Higgsových částic je velkou výzvou pro nové „superurychlovače" 21. století (viz str. 86).