Jak vypadá kvantová ZOO a proč by nás to mělo zajímat

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

dneska mám v plánu napsat poněkud více encyklopedický díl. Než se ponoříme do hlubin kvantového světa, je potřeba mít nějaký rámec, abychom vůbec věděli, o čem se bavíme.

Čtyři základní jezdci vesmíru

Neodolal jsem a nazval jsem krátký vhled do základních druhů interakcí ve fyzice právě takto. Jak titulek napovídá, jsou čtyři, tedy čtyři prozatím nám známé. Objevily se v prvních okamžicích vzniku vesmíru, oddělily se od základní prasíly. Jako první se osamostatnila gravitace. Vzhledem k tomu, že v kvantové mechanice gravitací končí veškerá legrace, tak se jí dnes natruc nebudeme zabývat. Zbylé tři interakce - tedy elektromagnetická, slabá a silná jaderná síla se držely dlouho pohromadě, ale jak se vesmír rozpínal a chladl, rozdělily se podoby, jakou známe dnes. Když si to vezmeme ohledně působení na dálku, slabá a silná jaderná interakce působí výhradně uvnitř atomů a drží pohromadě jednak  protony a neurony a druhak atomové jádro jako celek. Elektromagnetická síla potom pohání i na velkou vzdálenost většinu naší civilizace. Ano, jedním z jejích projevů je elektřina,

Toč se částice kolem dokola

V kvantové fyzice se musíme vzdát selského rozumu, protože tam prostě nefunguje. Když ze Země přesně o půlnoci zaměříme dalekohled na nějakou vzdálenou hvězdu a necháme ho tak, vlivem zemské rotace potom tu hvězdu v dalekohledu uvidíme zase následující půlnoc a tak dále. V kvantovém světě se tomu říká spin. Existují částice, kde by tomu bylo podobně jako na Zemi. Ale mnohem častější je, že stačí třeba jenom půl oběhu, nebo naopak jeden a půl. dva a půl atd. Je to velmi matoucí, ale dá se říci, že když se na částici podívám, musím i otočit o 180° aby vypadal stejně, něco jako když máš dvouhlavé karty na žolíky, nebo jedenkrát (jednohlavé karty na mariáš), ale jeden a půlkrát, na to už jsou příměry z makrosvěta krátké. No a podle spinu potom dělíme jednotlivá zvířátka z mikrosvěta na:

Fermiony

Když se na to podíváme příměrem z minulého odstavce, fermiony jsou dvouhlavé karty se spinem 1/2 nebo blíže nepopsatelné se spinem 3/2. Oproti tomu mají bosony spin celočíselný, tedy jako jednohlavé karty, aby vypadaly stejně, musí se otočit jednou kole dokola, nebo taky víckrát, ale vždy je to celé číslo.

Aby toho nebylo málo, i fermiony můžeme rozdělit a to na kvarky a leptony. Rozdíl je v tom, že kvarky jsou stydlíni a neradi se někde vyskytují samostatně, vždycky ve skupině. Taková skupina kvarků se potom nazývá třeba proton nebo neutron a pohromadě je drží silná jaderná interakce. Kvarky mají vůni - neptej se mne proč vůni, je to jedna ze záhad pro mne nedostupných, obzvláště když jednotlivé vůně jsou: dolů, nahoru, podivný, půvabný, svrchní a dolní. Nevidím v tom ani jedno označení něčeho, co by náznakem vonělo, z čehož vyplývá, že fyzikové jsou bedny na matematiku, ale už slabší při vymýšlení názvů.

A zpátky k leptonům - to jsou samotáři, patří mezi ně elektron a neutrino a ty můžou mít ještě hmotnější bratříčky - mion a tauon, mionové a taunové neutrino. Původně lepton znamená lehký, když ten název vznikl, fyzikové neměli zdání, že existuje tauon, který je těžší než proton.

Takže to máme 12 malých fermionů a každý z nich má ještě bratříčka ve světě za zrcadlem, v anti světě. Elektronovo anti dvojče se jmenuje pozitron, jinak si vystačíme s předponou anti před jménem částice.

A bosony

O bosonech můžeme ve stručnosti říct, že jsou to poslíčkové kvantového světa, kteří zprostředkovávají působení jednotlivých interakcí. Foton je poslíček elektromagnetismu, gluon potom pracuje pro silnou jadernou interakci a Z nebo W bosony zaměstnává slabá jaderná interakce. Všechny tyhle bosony mají spin 1.

Potom tu máme dva zvláštní případy. Higgsův boson se spinem 0 a graviton se spinem 2. Jak jsem již dříve řekl, s gravitací není v kvantovém světě zábava, takže gravitony budeme ignorovat. Zajímavější je Higgsův boson. Higgs předpověděl tuto částici už v roce 1964 s tím, že přeci musí existovat vysvětlení, proč některé částice mají klidovou hmotnost - tedy když se zastaví, pořád můžeme změřit jejich váhu, třeba kvarkové, a některé ne. Takový foton, když ho zastavíme, zmizí, ale díky nulové klidové hmotnosti může vesmírem pelášit přesně rychlostí světla.

Higgsův boson nalezli v roce 2012 ve velkém urychlovači LHC. Do té doby se nedařilo srazit částice s natolik velkou energií, aby se ze struktury hmoty odloupl přímo samostatný boson pána Higgse, který potom vědci mohli nepřímo pozorovat.

A z nich si poskládáme hadrony

Přesně tak. Slepíme kvarky, což jsou fermiony, silnou jadernou interakcí, což zařizují bosony  - gluony a dostaneme další dva typy různých částic - baryony s poločíselným spinem a mezony s celočíselným. Jinými slovy - baryony jsou fermiony a mezony pro změnu bosony. Je to jasné? Představ si, že bychom na tomto základě udělali zoo, kvantové zoo, kde bychom vystavovali hejna jednotlivých fermionů, bosonů, hadronů, kvarků a leptonů. Mapa té zoo by byla prostě kvantová, když by jsi se na ní díval, měla by tendenci vymáčknout ti mozek ušima.

Pravděpodobnostní závěr

Když jsem mluvil o té mapě, nebylo to jenom kvůli tomu, že je to celé zamotané mezi sebou. V kvantové fyzice ti nikdo neřekne, kde přesně se částice nachází a kterým směrem a jak rychle se pohybuje. Kde, Heisenbergův princip říká, že čím přesněji určíš místo, tím hůře můžeš určit rychlost. A to není všechno, místo, kde se nějaká částice nachází je dán pravděpodobností, s jakou se zrovna v tom místě bude daná částice nacházet. Jinými slovy, kvantová fyzika je o pravděpodobnosti a statistice. A ta statistika platí jinak pro fermiony a jinak pro bosony. Podle Pauliho vylučovacího principu zrovna 2 stejné fermiony nemohou mít stejný kvantový stav, zato bosony mohou.

Předpokládám, že z toho všeho máš dneska hlavu jako pátrací balón, tak raději skončím a slibuji, že se příště vynasnažím být mnohem zábavnější. Nicméně bez toho, že by jsi znal základní stavební kameny hmoty a částice, které přenášejí základní interakce by byl jakýkoliv následující výklad jenom velmi těžko pochopitelný.