Sciencemag.cz
Doporučujeme
Způsob, jímž rovnice standardního modelu činí předpovědi o reálném světě, je absurdně komplikovaný. Když rovnice aplikujeme přímo, udávají zcela nesmyslné předpovědi…
Podrobnosti částicové fyziky se objasňovaly postupně v 50., 60. a 70. letech dvacátého století, a to zásluhou tak velkých fyziků, jako byli Richard Feynman anebo Gell-Mann. Jejich tvůrčí úsilí nás dovedlo ke složité teorii vycházející z kvantové teorie, jež nese nepříliš romantický název standardní model elementárních částic. Tento „standardní model“ byl završen po roce 1970, a to dlouhou řadou experimentů, jež potvrdily všechny jeho předpovědi. Konečným potvrzením standardního modelu pak byl objev Higgsova bosonu v roce 2013.
Avšak i přes celou řadu úspěšných experimentů nebyl standardní model nikdy brán fyziky zcela vážně. Je to teorie, která přinejmenším na první pohled vypadá jako různorodý slepenec. Je tvořena rozmanitými částmi a rovnicemi, uspořádanými bez nějakého zjevného řádu. Určitý počet hmotových polí (proč ale právě těchto?) spolu navzájem interaguje prostřednictvím určitých silových působení (proč ale právě jich?), z nichž každá je určena konkrétními konstantami (proč ale mají právě tyto hodnoty?) a vykazuje určité symetrie (opět: ale proč právě tyto?). Hodně jsme se vzdálili od nádherné jednoduchosti rovnic obecné relativity a kvantové mechaniky.
Také způsob, jímž rovnice standardního modelu činí předpovědi o reálném světě, je absurdně komplikovaný. Když rovnice aplikujeme přímo, udávají zcela nesmyslné předpovědi, kdy každá vypočítaná veličina nabývá nekonečných hodnot. Abychom z nich dostali smysluplné výsledky, je nutné připustit, že vstupní parametry jsou samy též nekonečně velké, tak aby mohly vyvážit absurdní výsledky a učinit z nich něco rozumného. Tato složitá a bizarní procedura se odborně nazývá renormalizace. Z praktického hlediska dobře funguje, ale zanechává hořkou pachuť v ústech každého, kdo touží po jednoduchosti přírody. V posledních letech svého života Paul Dirac, největší vědec dvacátého století hned po Einsteinovi, velký architekt kvantové mechaniky a autor prvních klíčových rovnic standardního modelu, opakovaně vyjadřoval svou nespokojenost s daným stavem věcí. Dospěl k závěru, že „problém jsme dosud nevyřešili“.
Navíc v posledních letech vyšla najevo do očí bijící omezenost standardního modelu. Kolem každé galaxie astronomové pozorují obrovský oblak materiálu, který se projevuje svými gravitačními účinky na svítící hvězdy a ohýbá i paprsky světla. Avšak tento ohromný oblak hmoty, jehož gravitační působení sledujeme, nelze přímo spatřit a ani nevíme, z čeho je vytvořen. Vědci přišli s mnoha hypotézami, ale zdá se, že ani jedna z nich nefunguje. Je jasné, že něco tam existuje, ale my nevíme co. Dnes tomu říkáme temná hmota. Pozorování naznačují, že jde o cosi, co není popsáno standardním modelem, jinak bychom to viděli.
Je to cosi jiného než atomy, neutrina anebo fotony…
Vskutku nepřekvapuje, že na nebi i na zemi je, drahý čtenáři, více věcí, o nichž se naší filozofii – a naší fyzice – ani nezdálo. Donedávna jsme nic netušili ani o existenci radiových vln nebo neutrin, jež vyplňují doslova celý vesmír. Standardní model zůstává tím nejlepším, co dnes máme k dispozici, chceme-li mluvit o světě věcí. Všechny jeho předpovědi byly potvrzeny. A kromě temné hmoty – a gravitace popsané obecnou teorií relativity coby zakřivení prostoročasu – velmi dobře popisuje všechny aspekty pozorovaného světa.
Vznikly i alternativní teorie, ale ty byly experimentálně vyvráceny. Například krásná teorie s odborným názvem SU5, navržená po roce 1970, nahrazovala neuspořádané rovnice standardního modelu mnohem jednodušší a elegantnější strukturou. Teorie předpovídala, že proton by se měl s určitou pravděpodobností rozpadat a měnit na elektrony a kvarky. K pozorování protonových rozpadů byly sestrojeny obrovské přístroje. Někteří fyzikové tomuto pátrání zasvětili celé své životy. (Nešlo o to sledovat rozpad jediného protonu, protože na to bychom museli čekat nesmírně dlouhou dobu. Místo toho se vzalo mnoho tun vody a ty se obklopily citlivými detektory, jež mohly sledovat důsledky protonových rozpadů.) Bohužel nikdy nebyl spatřen ani jeden jediný rozpad protonu. Přes svou značnou eleganci se tedy krásná teorie SU5 milému pánubohu asi nezamlouvala.
Příběh se nejspíš znova opakuje i se skupinou teorií známých jako supersymetrické, jež předpovídají existenci nové třídy částic. Během své dosavadní kariéry jsem od kolegů slýchal, jak s velkou důvěrou čekají, že objev těchto částic je už na spadnutí. Minuly dny, měsíce, roky a desetiletí – avšak supersymetrické částice se nám ještě nezjevily. Fyzika není jenom historií samých úspěchů.
Takže pro tuto chvíli musíme zůstat u standardního modelu. Možná není zrovna nejelegantnější, ale při popisu světa kolem nás funguje pozoruhodně dobře. A kdoví? Třeba to při bližším ohledání nakonec není model, jemuž by se nedostávalo elegance. Třeba jsme to jen my, kdo jsme se zatím nenaučili na něj pohlédnout z té správné strany.
Carlo Rovelli: Sedm krátkých přednášek z fyziky
Dokořán 2022 (nové vydání)
O knize na stránkách vydavatele
