Vesmírný ... jízdní řád

Fyzika se snaží popsat přírodu kolem nás. Vytváří teorie, kontroluje hypotézy, aby je následně na základě pozorovaných jevů opravovala a upřesňovala.  Vzniká tak určitý „jízdní řád“ - základ, který nám dovoluje definovat i ty jevy,

... které se nedají pozorovat přímo. 

 Na počátku existence vesmíru panovala podle těchto teorií jednota, která se později transformovala do všeho, co dnes existuje. Dnes platné fyzikální zákony musely tedy mít uplatnění i v dobách raného vesmíru. Umožňují nám podívat se do doby, kdy neexistoval žádný pozorovatel, do doby, kdy vesmír byl jen malinkým zrnkem v prostoru a čase. Někteří vědci dokonce tvrdí, že extrapolací můžeme prozkoumat i dobu před vznikem vesmíru, i když je zřejmé, že se nikdy o správnosti těchto tezí nebudeme moci přesvědčit experimentem.

"Jsem jen malá část té části, která byla na začátku vším" (Goethe)

Co přesně tvoří kostru dnešní fyziky?

Fyzika se opírá o několik základních spolehlivých faktů. Jedním z nich je existence času. Díky němu probíhají jevy ve vesmíru kauzálně, jsou definované příčinou a následkem. Vesmír s chaoticky plynoucím časem by byl nesmyslným vesmírem. 

Dalším ze základních poznatků, o které se dnešní fyzika opírá, je planckova teorie kvantování energie. Planck zkoumal kolem roku 1900 záření těles. Přišel na to, že horké těleso vyzařuje energii ve formě malých “balíčků” – kvantů. Jeho výzkum pak rozšířil Einstein, když vysvětlil, že I příjem energie se děje v kvantované formě. Za tento objev dostal v roce 1905 Nobelovu cenu. Tentýž vědec později vypracoval teorii relativity, další ze základů dnešní fyziky. Podle ní jsou všechny vlastnosti v určitém systému relativní  - všechny až na rychlost světla. Jako první přišla na svět v  roce 1905 speciální teorie relativity, která popisuje vlastnosti stejnoměrně se pohybujících systémů. V roce 1915 ji následovala všeobecná teorie relativity. Ta  popisuje jevy v urychlovaných systémech (například v gravitačním poli).

Z výše zmíněných teorií vyplývá, že existuje určitá hranice minimálních hodnot, která udává rozměry prostoru a času, ve kterých ještě dávají fyzikální teorie smysl. Když pozorujeme časoprostor na úrovni nejmenších možných rozměrů, dojdeme k poznatku, že je “zrnitý”, kvantovaný podobně jako přijímaná a vysílaná energie. V praxi to znamená, že pozorovatel nemůže dosáhnout libovolného bodu času ani prostoru, existuje hranice, která způsobuje “rozmazanost” časoprostoru při překročení určitého rozměru. Tyto jevy dostaly název “planckův svět”. Má rozměry zhruba 10-35 m, což odpovídá časovému období 5x10-44 s. Menší rozměry nebo kratší časový úsek nelze dosáhnout nebo pozorovat. 

Ve vesmíru působí čtyři základní síly

Jako první byla objevena elektromagnetická síla. I při výzkumu elektromagnetismu, dávno před objevením kvant energie a světla, ukázaly experimenty, že elektrický náboj je předáván ve formě malých balíčků, které odpovídají náboji jednotlivých elektronů.

Objev elektřiny odstartoval vývoj nových technologií, které později umožnily výzkum dalších sil.

Silou, která působí ve vesmírných měřítcích, je gravitace. Není tak zjevná jako elektromagnetismus, kromě toho je neuvěřitelně  slabá. Je 1036  krát slabší než elektromagnetická síla, na rozdíl od ní se ale nedá ničím odclonit. Proto je někdy nazývána královnou všech sil. Všude tam, kde existuje hmota, přichází dříve nebo později ke slovu i gravitace. Drží v šachu nitra hvěz a umí vytvořit takové extremní jevy, jakými jsou například černé díry. 

Při průzkumu složení hmoty objevili vědci další dvě síly – slabou a silnou jadernou interakci. Obě síly působí jen uvnitř atomů.

Silná jaderná interakce drží pohromadě jádra atomů. Všechny atomy, které jsou těžší než vodík, ve svých jádrech obsahují větší nebo menší množství protonů a neutronů. Zatímco neutron s neutrálním elektrickým nábojem svého souseda nijak elektromagneticky neovlivňuje, proton, který má náboj pozitivní, by měl ostatní protony (se stejným pozitivním nábojem) podle zákonů elektromagnetismu odpuzovat. Bez vlivu silné jaderné síly by se jádra atomů musela díky této odpudívé síle rozpadnout. Silná jaderná interakce je 100x silnější než elektromagnetismus. Působí jen na velice krátkou vzdálenost, proto ovlivňuje jen protony, které se z nějakého důvodu dostaly do těsné blízkosti, například tím, že tvoří jádro atomu.

Slabá jaderná interakce je 100 000 slabší než její silná jmenovkyně. Působí na podobně krátkou vzdálenost jako ona, projevuje se jen v jádrech atomů. Umožňuje rozpad některých z nich.

Tyto čtyři síly se projevují díky specifickým částicím – tzv. “bozonům”.

Elektromagnetismus je reprezentován fotony, gravitace gravitony, silná interakce gluony a slabá interakce w- a z-bozony.

Pro úplnost - vedle těchto částic, spojených s přenosem sil, existují částice, tvořící hmotu. Jsou jimi elektron, proton a neutron (které jsou samy složené z ještě menších částic, up- a down- kvarků)

Samotné částice ale hmotu nedefinují. Celý svět kolem nás je vlastně složen z identických částic. Vlastnosti výsledné hmoty ovšem neurčuje její substance, ale spojení a vztahy částic, které mezi sebou mají.  

Čtyři síly – jedna teorie?

Snem teoretických fyziků je zjednodušení platných komplikovaných teorií. Bylo by jím spojení všech čtyřech sil, působících na vesmír, do jedné jediné síly. Teorie by tak popisovala podstatu této síly a zároveň každou z nich. 

Tento sen se zatím bohužel nesplnil. Existují teorie, které popisují jednotlivé síly, existují dokonce teorie, které umějí propojit některé z nich, ale propojit všechny do jednoho jednolitého obrazu vesmíru se zatím nepodařilo.

Spojení elektromagnetismu se slabou jadernou interakcí

Fotony (částice, zprostředkující elektromagnetismus) nemají klidovou hmotnost a pohybují se vždy rychlostí světla. W- a z- bozony (částice, zprostředkující slabou jadernou sílu) mají relativně velkou klidovou hmotnost, asi 90x vetší než proton, jsou proto pomalé a pohybují se rychlostí daleko nižší.

Experimenty potvrdily, že při teplotě kolem 1015 K mizí rozdíly mezi těmito druhy částic. Stačí tedy zjevně vhodně definovat podmínky systému (vysoká teplota) tak, aby obě síly splynuly do jedné, tzv. „elektroslabé síly“.

Spojení eletroslabé síly se silnou jadernou interakcí

Při tisícinásobném zvýšení teploty, tedy kolem 1018 K, se dá s oběma silami teoreticky sjednotit i silná jaderná interakce. V praxi to znamená, že na samém počátku vesmíru, v době, kdy byl vesmír ještě velice malý, horký a měl vysokou hustotu, působila určitá „pra-síla“, která se při postupném ochlazování systému „rozštěpila“na výše zmíněné tři síly.

Pokus o spojení všech čtyřech sil – GUT (velká všeobecná teorie)

Dalším krokem k vytvoření sjednocené teorie sil by mělo být začlenění gravitace.

U ní situace bohužel není tak jednoduchá. Gravitace se od ostatních sil liší tím, že svým působením mění časoprostor. Na to, aby se přesto dala spojit s ostatními silami, které tento vliv nemají, musí teorie zahrnovat vice, než tři prostorové dimenze.

O sjednocení všech čtyř sil se pokouší teorie strun. Částice v jejím pojetí nejsou klasickými částicemi, ale vibracemi časoprostoru. Zatímco klasická teorie strun popisuje 5 -  11 dimenzí, superstrunová teorie jich zná například už 27.

Věc má ale ne jeden - má dokonce několik “háčků”.

Dobrá teorie je ta, která dělá ověřitelné předpovědi. Když neobstojí při experimentálním ověření, dá se teorie dál korigovat a vylepšit natolik, aby odpovídala realitě pokusů. Jak dokázat neviditelné, doplňkové dimenze?

Ve vesmíru prokazatelně pozorujeme pouze tři prostorové dimenze. Pokud by měly existovat další, musely by být mikroskopické, tedy  tak malé, že se ve větších měřítcích, ve kterých  pozorujeme realitu, neprojevují. Teoreticky by mohlo být možné, že tyto doplňkové dimeze hrály roli při velkém třesku, kdy velikost vesmíru odpovídala jejich malému rozměru. Při jeho dalším rozpínání by pak ztratily význam.

Vědci se takovéto dimenze snaží najít a potvrdit experimenty s velice citlivými lasery. Hledají odchylky od gravitačního zákona v malých prostorových vzdálenostech. Všechny výsledky těchto experimentů jsou zatím ... negativní.

Pokud je velikost doplňkových dimenzí na hranici planckova světa (10 -35 m), nebudou nejspíš prokázány nikdy. Na této hranici se začíná projevovat jev, kterému říkáme neurčitost. Vlastnosti začínají splývat a stávají se nedefinovatelnými.

Část velkého vesmírného jízdního řádu

 je dodnes zahalena tajemstvím.

A možná to tak zůstane i nadále.