Cesta za podstatou hmoty: Je za všetkým geometria časopriestoru?

Otázka stará takmer ako ľudstvo samo: z čoho sa skladá okolitý svet? Z čoho sme my sami a všetko okolo nás? V súčasnosti by väčšina fyzikov odpovedala, že svet tvoria základné častice, ktoré opisuje tzv. štandardný model fyziky častíc. To, čo si už desaťročia myslíme, je, že svet tvorí niekoľko kvantových polí prestupujúcich celý vesmír, ktoré existujú v každom bode priestoru.

Častica v tomto obraze nie je samostatný objekt, ale krátkodobé rozvlnenie takéhoto poľa podobne ako vlna na hladine mora. Tieto lokálne rozvlnenia sú častice štandardného modelu. A možno sa teraz pýtate: čo to vlastne znamená? Ako sme na to prišli? A je to už úplný a presný obraz? Poďme sa na to pozrieť.

Odhaľovanie

Celý príbeh sa začal pred dva a pol tisíc rokmi v starovekom Grécku, kde sa zrodila predstava, že svet sa skladá z malých, ďalej nedeliteľných objektov, atómov. Aj keď táto predstava ustúpila na dvetisíc rokov do úzadia, nakoniec sa ukázala ako veľmi užitočná na opis sveta okolo nás.

Postupne, v priebehu storočí, sme sa blížili k presnejším opisom. Na prelome 19. a 20. storočia sme v prvom priblížení skončili pri predstave rôznych druhov atómov usporiadaných v periodickej tabuľke – sto základných stavebných kociek sveta od vodíka až po rádioaktívne prvky.

Ďalej sme sa približovali a sériou objavov sa ukázalo, že atóm má svoju štruktúru a skladá sa z menších častíc. Správanie týchto častíc v prvých desaťročiach minulého storočia postupne uchopila kvantová mechanika. Obraz sveta spresnila predstavou, že častice v atómoch nemajú ľubovoľnú energiu, správajú sa aj ako vlny a pri opise ich správania dokážeme predpovedať len pravdepodobnosti výsledkov meraní, nie jednotlivé udalosti.

Kvantová mechanika

V opise mikrosveta sa objavila častica, ktorá sa správa ako vlna. S touto myšlienkou prišiel pred 101 rokmi Louis de Broglie, inšpirovaný Einsteinovým vysvetlením fotoelektrického javu, podľa ktorého sa svetlo správa ako častice, fotóny. De Broglieho koncept sa v nasledujúcich rokoch potvrdil sériou experimentov s elektrónmi. Pred sto rokmi sme tak začali chápať správanie sa častíc ako objektov s vlnovou pravdepodobnosťou. Celá oblasť postupne dospela k pomenovaniu kvantová mechanika.

To, že ide opäť o presnejší opis sveta, ukázali jej úspechy pri vysvetľovaní emisných spektier atómov a ich štruktúry. Pri experimentoch sa ukázalo, že pri elektrických výbojoch v plyne sa jeho atómy rozsvietia. Vyžarujú svetlo len s určitými presnými vlnovými dĺžkami. Každá farba zodpovedá rozdielu energií medzi dvoma kvantovými hladinami.

Pri štruktúre atómu kvantová mechanika ukázala dôvod, prečo elektrón z atómového obalu nespadne do jadra. Podľa klasickej elektrodynamiky by elektrón obiehajúci okolo jadra neustále vyžaroval energiu a atóm by veľmi rýchlo skolaboval. Kvantová mechanika však ukazuje, že viazané častice ako elektróny majú v atóme iba určité energie. Existuje pritom minimálna energia, ktorú môžu mať, a elektróny s ňou tvoria základný stav atómu. Neexistuje teda klasická dráha, z ktorej by elektrón padal do jadra.

Týmto spôsobom kvantová mechanika vysvetlila existenciu stabilnej hmoty. Nasledovali ďalšie úspechy, napríklad polovodičová technika, ktorá stojí na objavoch kvantovej mechaniky. Až do polovice minulého storočia sme tak častice vnímali duálne, teda ako objekty, ktoré majú súčasne časticové aj vlnové vlastnosti.

RNDr. Richard Pinčák, PhD.
RNDr. Pavol Bobík, PhD.
Ústav experimentálnej fyziky SAV, v. v. i.