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 19)5 poskytla Einsteinova obecná teorie relativity nový způsob popisu gravitace, který nahradil starou Newtonovu teorii. Podle 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, l;terá „zapadne" za sluneční kotouč, s< 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 - mť. 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 úspěšné prouedl 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 elektroslabé interakce. V současnosti se fyzikově snaži o „teorii velkého sjednoceni", která by zahrnula elektroslabé i silné interakce, a doufají, ze dospěji až k „teorii všeho", která pokryje všechny sily včetně gravitace.
Einsteinův životní sen
TEORIE VELKÉHO SJEDNOCENÍ
TEORIE VŠEHO
č J
Neutrina
Elektron
Elektron
Neutrino
Částice Z
Ol €b
Slabé interakce Na obrázku vlevo je znázorněn klasickí) rozpad bela, při němž se neutron (dva kvarky d a jeden u) mění ná proton - vyměňuje se částice W, která učiní z kvarku d koark u, zatímco z neutrina se stane elektron. Při procesu s neutrálním proudem (vpravo) se vyměňuje částice Z, jejími 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 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 narušují" symetrii prázdného prostoru. V kvantově fyzice není ani vakuum úplně prázdné: i) souladu s principem neurčitosti je plné přechodné existujících částic, které se neustále objevuji a mizí. Higgsovy částice vtiskuji prázdnému prostoru určitou strukturu - tzu. Higgsovo pole - kleré si můžeme vzdálené představit jako vlny na vnitřní' vrstvě desky z tuhé lepenky. Nehmotné nosiče elektromagnetické sily (fotony)
jako by se pohybovaly poděl skrytých zvlněni, což jde snadno, zatímco nosiče slabé interakce (částice W a Z) musí překonávat hrboty a potřebují k tomu množství dodatečné energie, kterou získají od liiggsova pole a stanou se tak těžkými, licz Higgsova pole by byly fotony i nosiče slabé 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.
t
Kvárky jsou doživotne uvězněny - nikdy nemohou uniknou z částic, v nichž je drzí nesmírně mohutná síla vznikající z jejich „barevného" náboje. Talo 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. Úspěšná 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 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, a!e 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, aie pevné struny; kvarky jsou připojeny na koncích. Dokud není struna napjatá, kvarky se pohybují snadno, ale 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 snadné ji 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 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 silnější 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 opět „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 bary ony -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
1
Standardní model
RODINY ELEMENTÁRNÍCH ČÁSTIC
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 oddelené 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 tři „rodin" či generací po čtyřech -do každé patří dva druhy kvarků
a dvojice vzájemně si blízkých leptonů.
Z částic první generace (kvarky u a 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
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
LEPTOříY^|^^4
Rodinná podoba Veškerou hmotu můžeme popsat pomoci šesti kvarků a šesti leptonů seskupených clo tři rodin či generaci; do každé patři dua kvarky a dva ieptony. První generace vytváří veškerou běžnou hmotu, zatímco druhá a Iřeti 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 Ieptony „cítí" slabou interakci; pokud jsou elektricky nabité, působí na ně i elektromagnetická sila. Neutrina jsou však elektricky neutrální, a interaguji proto pouze slabě.
; zprostředkující Častíce
gravi to n
Každoŕsílu přenáší určitá částice-aosič. Pro elektromagnetickou sílu je to fotoo, pro slabqu^iriterakci částice. W a Z, pro silnou interakci gluon a pro gravitační sílu gravi-ton. 'V"'    •:
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 mionema jeho neutrinem, zatímco do třetí kvarky t 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 " chromodynamika, silná interakce mezi kvarky, kterou zprostředkují gluony.
Předpovědi, které tato teorie dává, souhlasí se vším, co se naměřilo v experimentech, a nepřímá měřeni 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 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 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 standarniho modelu je skutečnost, že zatímco všechno ostatní vychází dobře. Higgsův mechanismus zatim 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).