Krize identity v kvantovém světě II a přemnožené vesmíry

V jednom z předchozích dílu Kvantového kočkování jsme probírali problémy, které má se svojí identitou kvantový objekt - je chvíli vlněním, chvíli částicí a klidně je i něco mezi, to podle toho, jakou jeho vlastnost zrovna chceme měřit. Jenomže tohle není všechno.

Zablešený elektron

Vědci už delší dobu měří různé fyzikální veličiny kde čeho. Neptejte se mne proč, prostě to tak dělají, asi to patří k jejich povolání. Aby dosáhli co největší přesnosti, používají různé špinavé triky. To proto, že něco umí měřit lépe, něco hůře a pokud umí něco měřit opravdu přesně, je to čas. Tím pádem se snaží každé měření převést tak, aby se ve výsledku mohl měřit čas.
Třeba náboj elektronu změřili díky pozorování jeho pohybu v magnetickém poli a určili jej jako e = -1,602 176 487 . 10-19 C. Tato hodnota se nazývá elementární náboj.

Problém začal být v okamžiku, kdy se snažili dané měření podpořit výpočtem, nevycházelo jim to a nevycházelo. Potom je napadlo, co by se stalo, kdyby vzali v úvahu, že elektron, jak si to tak metelí magnetickým polem, vyzáří foton a za chvilku jej zase pohltí. Ejhle - výsledek se zlepšil. A co by se stalo, kdyby elektron vyzářil fotony hned dva? Další zlepšení výsledku.

Nakonec to vypadalo tak, jakoby po elektronu poskakovaly fotony jako blechy po oholené veverce. Nejlepší výsledek se jim podařilo získat, když ve výpočtu použili nekonečný počet fotonů. A nešlo jenom o foton, o jeho vyzáření a opětovné pohlcení, ve hře jsou i mnohem exotičtější částice a procesy.

Nekonečno, nekonečno a zase nekonečno

Tím se dostáváme do víru nekonečen, které zamořují kvantovou mechaniku jako belgická "rádoby pivo" české hospody. I když fyzikové měli v ruce poměrně ucházející teorii, která byla v dobré shodě s pokusy, celkově jim byla úplně k ničemu. Vyčistit kvantovou mechaniku byl úkol obdobný pověstnému čištění Augiášových chlévů.

Vzhledem k tomu, že Hercules na fyziku kašlal, ujala se toho hned čtveřice vědců: F. Dyson, R. Feynman, J. Schwinger, S. Tomonaga. A protože měli pod čepicí, nešli na to hrubou silou, ale od lesa. Nekonečna mají tendenci se vyskytovat v rovnicích kvantové fyziky obvykle ve dvojících, takže co se stane, když to převedeme z jedné strany na druhou? Budeme mít na každé straně jedno nekonečno, tak nekonečnem rovnici pokrátíme a je to. Nobelovka je doma (zmíněné kvarteto ji obdrželo za fyziku v roce 1965).

Renormalizace - vyhoďte ho ven

Daný proces dostal jméno renormalizace a v podstatě spočívá v tom, že upravíme podobu rovnice podle výsledků, které chceme dostat. Velká škoda že o tomto neslyšel asistent fyziky na mé alma mater, protože by nám to velmi zjednodušilo vypracování protokolů o laboratorním měření. Na druhou stranu je fakt, že zpětná aproximace "naměřených" hodnot podle očekávaných výsledků prováděného pokusu není exaktně vzato renormalizací. Možná by se mohlo jednat o rekalibraci měřících přístrojů ...

Nicméně jak praví latiník: Quod licet jovi non licet bovi - Co je dovoleno bohovi, není dovoleno volovi. Renormalizace se v kvantové fyzice velmi rychle ujala, přestože to znamenalo zavedení efektivního elektrického náboje, který na rozdíl od elementárního náboje zmíněného výše závisí na vzdálenosti. Oproti tomu rekalibrace není tolerována dodnes, i když se jedná o neméně oblíbenou a používanou metodu.

Cesta od QED ke QCD

V obci fyziků se ale našli i tací, kterým se tento postup nezamlouval. Především to byl Paul Dirac, který by sice s přimhouřeným okem snesl vypuštění z rovnic sem tam nějaké zanedbatelné veličiny, ale ignorování nekonečen mu přišlo jako hodně silná káva. Rozpoutal se tedy boj mezi přívrženci a odpůrci renormalizace, jedni se jí snažili poskytnout fyzikální základ, zatímco druzí vynakládali úsilí na její vyvrácení. Zbytek ji mezitím zvesela používal v praxi s přijatelnými omezeními i výsledky.

Na tomto pozadí se odehrál příběh, podobný biblickému obrácení Šavla před Damaškem. Všechno to měli na svědomí dva doktorandi - Paul Wilzcek a David Politzer, kteří od svých školitelů (Davida Grosse a Sydney Colemana) nezávisle na sobě dostali úkol renormalizaci jednou provždy smést ze stolu. Zjistili, že pro kvarky platí čím blíže k sobě, tím méně se nechají něčím omezovat, asi podobně jako mládež na večírku.

Odborně se tomu říká asymptotická volnost a vyplynulo z toho rozšíření teorie kvantové elektrodynamiky na kvantovou chromodynamiku a taky Nobelovka za rok 1999. Obraceným Šavelem byl právě Gross.

Přemnožené vesmíry a (mnozí) efektové

Divoké, a v mnohých ohledech selskému rozumu vzpírající se chování kvantového světa plodí často ještě mnohem divočejší teorie, jak jej vysvětlit. Díky spisovatelům sci-fi je nejoblíbenější a nejznámější teorií množení vesmíru s každou učiněnou volbou. V současné době ji nemůžeme ani potvrdit, ani vyvrátit, takže na nás přemnožené vesmíry vybafávají zpoza každého rohu.

Nic na tom nezmění ani pochybnosti o tom, co přesně ještě volba je a co už volba není, vědci klidně nechají množit vesmíry s každým tikem částice. Ale protože jim to přece jenom přišlo divné, povolují vesmírům se zase slučovat.

Ani dnes velmi populární teorie superstrun není výjimkou, i když oproti obvykle nekonečnému počtu vesmíru si vystačí s pouze 10 na 500 (tedy 1 a za ní 501 nul) vesmíry, ale zato potřebuje 11 rozměrů. Nicméně ani tato teorie nedokáže poskytnout dostatečně přesvědčivou odpověď na to, proč je současný vesmír takový, jaký je. V okamžiku začátku to byly právě kvantové procesy, které formovaly současnou podobu našeho vesmíru. A počáteční rychlost rozpínání byla natolik velká, že podle našich současných znalostí by něco podobného, jako je třeba reliktní záření nebo homogenní rozložení hmoty, nemělo vůbec existovat.

P.S.: Já osobně bych Nobelovku za ekonomii dal tomu, kdo zařídí, aby v našich hospodách čepovali naše dobré pivo.

Pokud se Vám tyto články líbí, jejich pokračování můžete už dnést nalézt na emag.cz