|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
| Tarsicius: | 1/2014 |
| Rubrika: | Téma |
| Autor: | Pavel Gábor |
| Název: | Otevřená kniha přírody |
| Článek: | Jaký má fyzika vztah ke světu kolem nás? Kolem této otázky se už dlouho vedou spory. Nebudu zde nabízet žádnou „správnou“ odpověď. Jen poznamenám, že fyzika vytváří matematický model světa. Co to je matematický model? Roztočím olověnou kuličku přivázanou na konci tenké nitě. Znám délku nitě, hmotnost kuličky a vím, kolik obrátek kulička udělá za sekundu. Dejme tomu, že při jistých obrátkách se kulička utrhne. Jak velká byla síla, která protrhla nit? Fyzik vezme kus papíru a začne psát vzorečky. Dobrý fyzik se pozná tak, že dokáže najít vzorečky co nejjednodušší - tedy matematický model reality, které ale přesto povedou ke správnému výsledku. Kupříkladu zanedbá hmotnost nitě, rozměry kuličky a odpor vzduchu. Vůbec se nezabývá tím, že moje ruka kmitá, aby udržovala kuličku v pohybu. Píše vzorečky, jako by se jednalo o dokonalé geometrické útvary (bod pohybující se po kružnici) a dokonale rovnoměrný pohyb. Pracuje tedy s matematickým modelem. „Matematickým“, protože se jedná o dokonalé matematické objekty a „modelem“, protože to má s realitou společného asi tolik, co model autíčka se skutečným autem. Z modelu autíčka se dá poznat hodně o skutečném autě a dobrý fyzik dovede sestavit takový matematický model reality, že výsledky výpočtů velmi dobře odpovídají realitě. Jak se to pozná? Jiní fyzikové si raději sílu nitě změří v laboratoři... Fyzika má tedy na jedné straně matematické modely a na straně druhé pokusy, pozorování a měření. Často slyšíme, že věda se neustále vyvíjí, a proto prý nedokáže nic tvrdit s úplnou jistotou. Všechno jsou to „pouhé teorie“. Není to pravda. I když se věda neustále vyvíjí, některé věci přesto poznává definitivně - tedy jednou pro vždy. S takovouto definitivní jistotou např. víme, že látka se skládá z částic. Jak ale popsat chování těchto částic? Víme rovněž s naprostou jistotou, že malinkaté věci se chovají jinak, než jsme zvyklí z našeho „velikého“ světa. Obor fyziky, který zkoumá malinkatý svět, se jmenuje „kvantová fyzika“ nebo „kvantová teorie“. Jedním ze základních poznatků kvantové teorie je tzv. princip neurčitosti. Některé dvojice veličin jsou jako propojené nádoby: má-li hybnost (rychlost) částice hodnotu z rozmezí o šířce , pak rozmezí , v němž se částice nachází, musí být větší než , kde = 10-34 J.s je Planckova konstanta. Nebo - má-li částice energii z rozmezí o šířce , pak časové rozmezí , během něhož má částice uvedenou energii, musí být větší než . Jinými slovy, čím přesněji známe hybnost, tím méně přesně známe polohu, a naopak. Podobně, čím přesněji známe energii, tím méně přesně známe čas, a naopak. Druhý základní poznatek kvantové fyziky je, že když provedeme 1000 měření, tak nelze říci, jak dopadne které z nich, nýbrž jen kolik z nich dopadne jak. Takže například, když budeme mít 1000 radioaktivních atomových jader, nebudeme vědět, kdy se které z nich rozpadne, nýbrž jen to, že po uplynutí tzv. poločasu rozpadu, např. 15 minut, polovina z nich bude rozpadlá, a pak po uplynutí dalších 15 minut bude rozpadlá polovina ze zbylé poloviny atd. Které se rozpadnou, to ale nelze říci. Ono to souvisí s tím, že kvantové částice jsou nerozlišitelné a že ve kvantové fyzice je to s časem a prostorem trochu jinak, než jsme zvyklí. Kvantová teorie se dělí na dvě oblasti: „kvantovou mechaniku“ a „kvantovou teorii pole“. Kvantová mechanika slouží při výrobě elektronických součástek nebo při zkoumání chemického složení hvězd pomocí rozkladu světla na jednotlivé barvy. Naopak kvantová teorie pole popisuje ty nejzákladnější vlastnosti světa. Říká nám, jaké druhy částic existují, jak se rozpadají (většina částic dlouho nevydrží) a co vylétne z místa srážky dvou z nich. Některé jevy, např. srážku dvou elektronů, dovedeme také vypočítat pomocí kvantové teorie pole. Jak na to? Podívejte se na obrázek. Čas na něm „plyne“ zdola nahoru. Elektrony přicházejí „zdola“, pak se něco děje, až nakonec máme opět dva elektrony, které odcházejí „nahoru“. V diagramu (a) si prostě jen vymění jeden foton. Foton je částice elektromagnetického pole - a působení polí v kvantové teorii pole chápeme jako výměnu částic pole. V diagramu (b) si nejprve vymění jeden foton a pak druhý. V diagramu (c) si ty dva fotony vyměňují „střídavě“. Diagram (d) je podobný jako (a) až na to, že se foton se na chvíli promění na pár částice-antičástice. Dodržíme-li jistá pravidla (např. zákon zachování elektrického náboje), můžeme sestavit všechny myslitelné diagramy. „Všechny myslitelné způsoby“ zahrnují i takové procesy, při nichž se na základě principu neurčitosti na kratičký čas objeví a hned zase zmizí nějaké částice. Dostaneme nekonečné množství stále složitějších diagramů. Pak „jednoduše“ spočítáme, jak každý diagram přispívá ke konečnému výsledku. Vypočítané a pozorované chování částic se shoduje s přesností 15 platných cifer - a kdybychom měřili přesněji, možná i lépe. Je tu ale pár velmi zvláštních okolností. Jednak jakoby, každý pár elektronů „věděl“ o všech možnostech rozptylu a choval se podle toho. A pak je tu sám výpočet - ze začátku při něm totiž vycházejí nekonečna. Ta odstraníme pomocí matematických triků, o nichž se vedou spory, zda odpovídají něčemu skutečnému či ne. Inu, neříkal jsem, že to je divné? Samozřejmě že to je ve skutečnosti o hodně složitější, ale - věřte nevěřte - takto v kostce funguje kvantová teorie pole. Jak si ale z těchto matematických „součástek“ postavit „autíčko“, tedy model tří základních vzájemných působení (základních interakcí), na nichž stojí svět: jedná se o elektromagnetickou, silnou a slabou interakci. (Kromě toho existuje i gravitace, ale tu se pomocí kvantové teorie pole nedaří popsat.) Už z nešikovných názvů je vidět, že „silná“ a „slabá“ interakce nemají dobrý imidž a před veřejností se plaše skrývají. Nedivte se, slyšíte-li o nich poprvé. Už více než 50 let je zřejmé, že klíčem k vytvoření kýženého matematického modelu těchto interakcí je symetrie. Uspořádáme-li jednotlivé „součástky“ pěkně souměrně, dostaneme výborný popis světa. Je to až podivné, nakolik jsou krása a soulad matematických vzorečků důležité. Začátkem šedesátých let se hledala spojitost mezi elektromagnetickou a slabou interakcí. Právě jisté symetrie naznačovaly, že se vlastně jedná o různé projevy téže interakce - opět hodně nešikovně nazvané „elektroslabá“. Model ale pořádně nefungoval. Při dokonalé symetrii by totiž elektromagnetická a slabá složka elektroslabé interakce musely mít stejnou sílu a dosah. Z pokusů a pozorování ale víme, že tomu tak není. Matematičtí fyzikové si v té době už ale běžně pohrávali s myšlenkou, že mnoho běžných věcí se dá pojmout jako narušení dokonalé symetrie. Třeba takový krystal kuchyňské soli. Při pohledu ze šesti směrů uvidíme totéž uspořádání iontů. To je nádherná symetrie. Přiznejme si, že by ale mohla být dokonalejší. Proč bychom nemohli mít krystal, který by vypadal stejně ne ze šesti, ale z osmi směrů nebo ze sta směrů…, nebo z nekonečného množství směrů? To by teprve byla dokonalost! Jenže to by se nemohlo jednat o uspořádání atomů či iontů - to jsou přece jednotlivé konečné objekty, a právě proto se prostě nedají uspořádat v nekonečnou symetrií. Krystal se tedy dá chápat jako samovolné neboli spontánní narušení symetrie – jako by se původní nerozlišitelná hmota uspořádaná s nekonečnou symetrií sama proměnila na jednotlivé konečné „kapičky“ uspořádané s velikou, ale konečnou symetrií. V roce 1964 souběžně vyšly tři články od celkem šesti fyziků. Jeden z nich byl Peter Higgs. Autoři ukazovali, jak tento problém vyřešit zavedením nového pole, kterému dnes říkáme pole Higgsovo. Toto pole má čtyři složky, které ale nejsou symetrické. Jedná se přitom o spontánní narušení symetrie. Tři složky tohoto pole se stanou součástí slabého pole. Právě tím se slabé pole liší od pole elektromagnetického. Čtvrtá složka vlastně ničím nepřispívá k jednotnému popisu elektromagnetické a slabé interakce. Prostě si existuje. Odpovídající částici tohoto zbytku Higgsova pole říkáme Higgsův boson. A tak tyto ryze matematické úvahy vedly k předpovědi existence Higgsova bosonu. Leon M. Lederman, nositel Nobelovy ceny, vydal v roce 1993 knížku The God Particle, „Božská částice aneb Pokud je vesmír odpovědí, co je otázka?“. Právě z tohoto titulu knížky pochází novináři oblíbená „přezdívka“ pro Higgsův boson. Lederman sám uvádí (na str. 22), že původně prosazoval titul Goddamn Particle, „Zatracená částice“, ale že to mu vydavatel nedovolil. Z následujících stránek knížky plyne, že pokud Lederman něco považuje za božské, tak to je matematická elegance Higgsova mechanismu. Mnohaleté obrovské úsilí tisíce špičkových experimentálních fyziků přineslo plody. Higgsův boson letos konečně objevili. Teoretikové tedy měli pravdu: Higgsův boson opravdu existuje! Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena dvěma ze tří autorů dvou z oněch tří článků z roku 1964, totiž Peterovi Higgsovi a Francoisovi Englertovi. Druhý autor prvního článku zemřel a Nobelova cena se uděluje jen živým. Autoři třetího článku oceněni nebyli… Zatím? [[Zajímavé materiály v češtině najdete na stránce: http://www-hep2.fzu.cz/castice/]] [[Veliký Galileo řekl, že Bůh napsal knihu přírody matematickým jazykem. Byl přesvědčen, že Bůh nám dal dvě knihy: knihu Svatého Písma a knihu přírody. A byl přesvědčen, že jazykem přírody je matematika. Takže ta je jazykem Božím, jazykem Stvořitele. Překvapující je, že [matematika,] tento vynález naší lidské mysli, opravdu je klíčem k porozumění přírody. Že příroda opravdu je matematicky uspořádaná a že naše matematika, vynalezená naší lidskou myslí, opravdu je nástrojem k práci s přírodou, díky němuž si jí dovedeme posloužit a využívat ji skrze techniku. Benedikt XVI. Beseda s římskou mládeží, Náměstí sv. Petra, 6. dubna 2006]] |
| Pr/Qr: | 1933/0 |
|
Archivní článek