Fyzika v slepých uličkách

Kniha prináša niekoľko významných a prekvapivých momentov z histórie fyziky a zaoberá sa aj otázkami, nad ktorými si fyzici a fyzičky lámu hlavy aj v súčasnosti.

Máloktorej fyzikálnej teórii, navyše takej komplikovanej, sa podarilo dostať do povedomia širokej verejnosti tak výrazne ako teórii strún. Preto si povedzme, čo to tie struny vlastne sú a čím sú zaujímavé, na aké otázky odpovedajú, na aké otázky zatiaľ márne odpoveď hľadajú a prečo sa nájdu ľudia, ktorí sú vehementne presvedčení o nesprávnosti tejto teórie.
Teória strún je súčasťou väčšieho príbehu objavovania teórie kvantovej gravitácie. Aj keď sú struny hlavným a najviac rozpracovaným kandidátom na takú teóriu, celé hľadanie má pred sebou ešte dlhú cestu. Takže okrem predstavenia teórie strún si v tejto kapitole ukážeme, že pri hľadaní kvantovej gravitácie sme v uličkách, z ktorých sú niektoré takmer určite slepé, niektorých koniec nevidíme, niektoré sa zdali sľubné, ale ukázali sa nepriechodné. Je to taký labyrint bez mapy a my si lámeme hlavu nad tým ako ďalej.

Trochu histórie

Nepriamo sa príbeh strún začal už pred druhou svetovou vojnou. Kvantová mechanika, tak ako ju v dvadsiatych rokoch dvadsiateho storočia úspešne formulovali vedci, napríklad Heisenberg a Schrödinger, nebola kompatibilná s Einsteinovou teóriou relativity. Čas a priestor v nej hrali významne inú úlohu.
Na stole bola teda otázka, ako tento problém v kvantovej mechanike vyriešiť a ako získať teóriu, ktorá by okrem kvantovej povahy častíc brala do úvahy aj relativistickú povahu sveta, v ktorom sa pohybujú. Prvým dôležitým krokom bola práca anglického fyzika Paula Diraca (1902 – 1984), ktorému sa roku 1928 podarilo nájsť zovšeobecnenie Schrödingerovej rovnice pre elektrón, spĺňajúce podmienky relativity. Riešením rovnice Dirac ukázal, že pre konzistentnosť musí teória obsahovať častice veľmi podobné elektrónom, ale s kladným nábojom. Nová častica dostala meno pozitrón, a keď sa roku 1932 potvrdila jej existencia experimentálne, znamenalo to veľký úspech vznikajúcej teórie. Druhým kľúčovým krokom bolo naučiť sa opisovať systémy s meniacim sa počtom častíc. Vlnové funkcie v klasickej mechanike opisujú častice, ale nedokážu opísať ich vznik alebo zánik, pretože vlnová funkcia nevie vzniknúť alebo zaniknúť. Procesy ako rádioaktivita alebo vyžarovanie fotónov z atómov, ktoré sa snažíme opísať, nevyhnutne potrebujú nové častice.
Tento technický problém vyriešilo začiatkom tridsiatych rokov v postupnom úsilí niekoľko vedcov a na svete bol spôsob, ako elektromagnetické javy opisovať kvantovo. Výsledok začal sláviť aj prvé úspechy, ale ešte pred rokom 1939 americký teoretický fyzik Robert Oppenheimer (1904 – 1967) ukázal, že nový prístup má aj veľké problémy. Pri výpočtoch v istom momente začnú vychádzať úplne nezmyselné výsledky. Napríklad pre mnohé pravdepodobnosti, ktoré by mali byť medzi 0 a 1, dostaneme nekonečný výsledok. Podobne sa nekonečné a úplne nezmyselné výsledky začnú objavovať naprieč celou teóriou a jej schopnosť opísať akúkoľvek realitu sa úplne vytratí. Pred druhou svetovou vojnou sa preto medzi fyzikmi rozšírila obava, že špeciálnu relativitu a kvantovú mechaniku nebude možné nijako skĺbiť a fyziku bude potrebné budovať od začiatku. Keď sa vedci po vojne vrátili k svojej bežnej práci, ukázalo sa, že situácia nie je až taká beznádejná. Už roku 1948 nemecko-americký fyzik Hans Bethe (1906 – 2005) ukázal, ako tieto nekonečná zamiesť pod koberec. Ako sa dajú zakomponovať do teórie a nastaviť jej parametre vhodne tak, aby dávala konečné výsledky v zhode s experimentom. Ďalší fyzici tento proces postupne upravili, sformalizovali a dali mu fyzikálnu interpretáciu; pomenovali ho renormalizácia. Tým vznikla kvantová elektrodynamika, prvá konzistentná relativistická kvantová teória, ktorá dokázala s úžasnou presnosťou opísať vlastnosti častíc známe na konci štyridsiatych rokov dvadsiateho storočia.
Rýchly rozvoj technológií po druhej svetovej vojne znamenal obrovský experimentálny pokrok aj v časticovej fyzike. Vedci postupne objavovali nové a nové elementárne častice. Na konci päťdesiatych rokov ich bolo niekoľko desiatok, neskôr až stovky. Mali mnohé prekvapivé vlastnosti, ktoré kvantová elektrodynamika opísať nedokázala. Zistilo sa, že elementárne častice na seba pôsobia okrem elektromagnetickej interakcie ešte ďalšími dvomi spôsobmi. Tieto sily dostali (veľmi neoriginálne) názvy – silná interakcia a slabá interakcia. Silná interakcia napríklad drží v jadre pohromade kladne nabité protóny atómov napriek ich odpudzovaniu, slabá interakcia zasa spôsobuje niektoré rádioaktívne procesy. Hľadanie teoretického opisu všetkých týchto efektov by si zaslúžilo celú jednu kapitolu. Nie je však prekvapujúce, že ho takisto neobišli zablúdenia do slepých uličiek. Blúdenie sa skončilo okolo roku 1975 a vypísať čo i len laureátov Nobelovej ceny za tieto objavy by zabralo celý odsek.

Knihu vydalo Vydavateľstvo Matice slovenskej, s. r. o., pre CVTI SR v roku 2021 v rámci projektu Podpora národného systému pre popularizáciu výskumu a vývoja (kód ITMS: 313011T136).


Súťažná otázka

Ak nám do 31. augusta 2021 pošlete správnu odpoveď na otázku:

Ako sa nazýva teória opisujúca základné stavebné kúsky hmoty a interakcie medzi nimi?

zaradíme vás do žrebovania o knihu J. Tekela: Fyzika v slepých uličkách z Vydavateľstva Matice slovenskej, s. r. o. Svoje odpovede posielajte na adresu redakcie: odpovednik@quark.sk alebo Quark, Staré grunty 52, 842 44 Bratislava 4.

Komentáre