KU
Většinu života se Albert Einstein snažil vybudovat úplnou teorii vesmíru, která by sjednocovala elektromagnetismus a gravitaci. Na tomto úkolu pracoval neúnavně od 20. !et až do své smrti v roce 1955. Jeho úsilí však bylo odsouzeno k nezdaru, protože nebral v úvahu jaderné síly.
Einsteinův životní sen
TEORIE VELKÉHO .SJEDNOCENÍ
V roce 19)5 poskytla Einsteinova obecná teorie relativity nový způsob popisu gravitace, který nahradil starou Newtonovu teorii. Podle Einsteina neni gravitace síla 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, !;terá „zapadne" za sluneční kotouč, Ss 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 - mc!. Po čem takový vědec mohl zatoužit než po konečné teorii, která by zahrnula celý vesmír do jediného a sjednocujícího popisu?
TEORIE VŠEHO
."■i- •v-'.".-'
Snaha o sjednocení interakcí V přírodě existuje pit 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 sloji v pozadí chemických reakci i zákonů siřeni světla. K dalšímu sjednoceni došlo v roce 1973, kdy byla vytvořena teorie eleklroslabé interakce. V současnosti se fyzikové snaží o „teorii velkého sjednocení", která by zahrnula eleklroslabé i silné interakce, a doufají, že dospěji až k „teorii všeho", která pokryje všechny sily včetně gravitace.
4
Neutrino
Elektron
Elektron
Neutrino
Částice Z
OJ ~ío
Slabé interakce Na obrázku vlevo je znázorněn klasický rozpad beta, při němž se neutron (dva kvarky d a jeden u) mění ná proton - vyměňuje se částice W, která učiní z kvarku d kuark u, zatímco z neutrina se stane elektron. Při procesu s neutrálním proudem (vpravo) se vyměňuje částice Z. jejímž prostřednictvím neutrino „postrčí" kuark 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 symetrie prostoru Za sjednoceni elektroslabé interakce mohou tajemné Higgsovy částice, které „spontánně narušuji" symetrii prázdného prostoru. V kvantově fyzice není ani vakuum úplně prázdné: v souladu s principem neurčitosti je plně přechodně existujících částic, které se neustále objevuji a mizí. Higgsovy částice utiskuji prázdnému prostoru určitou strukturu - tzu. Higgsovo pole - které si můžeme vzdáleně představit jako vlny na vnitřní vrstvě desky z tuhé lepenky. Nehmotné nosiče elektromagnetické sily (fotony)
jako by se pohybovaly podél skrytých zvlněni, což jde snadno, zatímco nosiče slabé interakce (částice W a Z) musí překonávat hrboty a potřebuji k tomu množství dodatečné energie, kterou získají od Higgsova pole a stanou se tak těžkými, liez Higgsova pole by byly fotony i nosiče slabě interakce stejně nehmotné. Fyzikové vědf že Higgsouy částice existuji, ale zatím zůstává tajemstvím, co je jejich podstatou a jaké maji vlastnosti. Objev těchto částic, které jakoby prorůstají uakuem, je jedním z hlavních cílů současné fyziky vysokých energii.
t
Kvárky 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 sjednoceni 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 protonů a neutronů, 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 částicemi-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 "í:t" 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, aie při hodně 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 sily mezi kvarky.
Napjatá gluonová pružina
Tříjetový případ
Kvarkový posilovač svalů Silovou vazbu mezi kvarky můžeme přirovnat k velmi silným pružinám. Když leží posilovač svalů volné na stole, můžeme jeho držadly snadno pohybovat. Teprve když pružiny pořádně natáhneme, cítíme odpor. S kvarky je to podobné -čím jsou od sebe dál, tím silnejší je jejich vazba. Jestliže pružina získá velké množství energie a natáhne se až za určitou hranici, může prasknout a z uvolněného naoěli vzniknou dva
Dvoujetový případ
proudy kvarků ve směru původní napnuté struny, spojené opét „kousky" struny (vpravo). Někdy se kousek gluonové struny „utrhne" a vznikne další sprška částic (vlevo). Tyto spršky z kvarků a gluonů dostaly jméno „jety" 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 íéžší 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 úhledně 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 dvanácii druhů elementárních (či základních) i 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 u i d, 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 ČASTÍC
poutají elektrony, tak vznikají atomy, atomy se seskupují do molekul. Tímto způsobem je uspořádáno všech 92 přírodních prvků a vťce než půl milionu chemických sloučenin, které tvoří pestrou paletu látek, z nichž se skládá okolní svět.
Další dvě rodiny, jež mají podobnou
5
Rodinná podoba Veškemu hmotu můžeme popsat pomoci šesti kvarků a šesti leptonů seskupených do tři rodin či generaci; do každé patři dua kvarky a dva leptony. Pruni generace uytuáři 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 u prvních několika vteřinách existence vesmíru (viz str. J04). Na kvarky působí všechny tři druhy si! - silná, elektromagnetická i slabá. Všechny leptony „cíli" slabou interakci; pokud jsou elektricky nabité, působí na ně i elektromagnetická sila. Neutrina jsou však elektricky neutrální, a interaguji proto pouze slabé.
"zprostředkující častíce
graviton
Každotrsílu přenáší určitá částice-nosič. Pro elektromagnetickou sílu je to foton, pro slabóUjinterakcičástice. W a Z, pro silnou interakci gluoo a pro gravitační síla gravi-ton. vŕ-f" ■
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 5 a c spolu s mionema jeho neutrinem, zatímco do třetí kvarky tib, lep to n tau a ta u neutrino:
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. Patří mezi ně zejména počet a hmotnosti částic a síla jejich interakcí. V principu by standarní model 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 standarniho modelu se snaží teorie velkého sjednocení (viz str. 64), zatímco zahrnutí gravitace je cílem konečné „teorie všeho".
CHYBĚJÍCÍ HICGS Částice získávají hmotnost prostřednictvím Higgsova mechanismu, který ovlivňuje všechno - dokonce i vakuum - a specifickým způsobem narušuje odpovídající elektroslabou symetrii (viz str. 66). Příslušné Higgsovy částice jsou pohlceny elektroslabými částicemi, které tak „ztěžknou".
Paradoxem standarniho modelu je skutečnost, že zatímco všechno ostatní vychází dobře. Higgsův mechanismus zatím zůstává zahalen tajemstvím. Je to ..chybějící článek" současné fyziky a hlavní cíl 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).