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. V roce 1915 poskytla Einsteinova obecná teorie relativity nový způsob popisu gravitace, který nahradil starou Newtonovu teorii. Podie Einsteina není 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, která „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 sjednocení úspěšně 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 šířeni světla. K dalšímu sjednoceni došlo v roce 1973, kdy byla vytvořena teorie elektroslabé interakce. V současnosti se fyzikové snaži 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. ÁJ Proton * 4 ^ Elektron Neutrino Elektron Částice Z :W í «O Slabé interakce Na obrázku vlevo je znázorněn klasický rozpad beta, při němž se neutron (dva k várky d a jeden u) mění ná proton - vyměňuje se částice W, která učiní z k várku d k var k a. 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) eleklron. V experimentech při vysokých energiích dochází k oběma procesům současně. Ještě před tím, než byla částice Z pozorována přímo, dokázali fyzikově 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 kvantové fyzice není ani vakuum úplné prázdné: v souladu s principem neurčitosti je plné přechodné existujících částic, které se neustále objevuji a mizí. Higgsovy částice utiskuji prázdnému prostoru určitou strukturu - tzv. Higgsovo pole - které si můžeme vzdáleně představil 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 hrboly a potřebuji k tomu množství dodatečné energie, kterou ziskaji od Higgsova pole a stanou se tak těžkými, licz Higgsovo pole by byly fotony i nosiče slabé interakce stejně nehmotné. Fyzikově vědí, že Higgsovy částice existuji, ale zatím zůstává tajemstvím, co je jejich podstatou a jaké máji vlastnosti. Objev těchto částic, které jakoby prorůstají vakuem, je jedním z hlavních cílů současné fyziky vysokých energii. 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 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 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 si! 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. fit* f 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 od 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 jetu a dalších částic jsou poznávacími znaky inerakcí nových částic. Kvarky uvnitř částic Kvarky se spojuji 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. BARYONY MEZONY Neutron Proton Záporný pion Kladný pion 3 J Standardní model RODINY ELEMENTÁRNÍCH ČÁSTIC 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 druhú 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 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 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 mají podobnou Rodinná podoba Veškerou hmotu můžeme popsat pomoci šesti kuarků a šesti leptonů seskupených do tři rodin či generaci; do každé patři dva kvarky a dva leptony. Pruni generace vytváří veškerou běžnou hmotu, zatímco druhá a třetí 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 str. J 04). 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 sila. Neutrina jsou však elektricky neutrální, a interaguji proto pouze slabě. i zprostředkující častíce fciiíK.-iU.- i. gravi ion KazdoúVsílu přenáší arčitá částice-nosič. Pro elektromagnetickou sílu je to foton, pro slab ó li interakci-části ce.W a Z, pro silnou interakci gluon a pro gravitační sílu gravi-torii£:Ä:". '!•'"' • 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 & c spolu s rhionem a jeho neutrinem, zatímco do třetí kvarky / a b, lepton tau a tau 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 J 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 nedostatku. 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 tri 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 tri (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 sjednocení (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 Higgsovy částice jsou pohlceny elektroslabými 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).