Fyzika má problém... ...a je to velice vážný problém. Navzdory veškerým, v minulých desetiletích a staletích získaným vědomostem, dnes nevíme, z čeho se skládá 96 % našeho vesmíru.
Za úspěch můžeme samozřejmě považovat fakt, že už víme, co všechno nevíme. Tím jsou ale naše pozitiva vyčerpána.
Vesmír, ve kterém žijeme, se skládá z energie a hmoty. Díky Albertu Einsteinovi víme už zhruba sto let, že má jak hmota tak energie stejný základ. Umíme dokonce vzájemně přepočítat jednu na druhou. Spojuje je jednoduchý vzorec E=mc^2, který e v průběhu let stal symbolem lidského poznání. Co ovšem Einstein vědět nemohl – viditelná hmota i energie, kterou propojuje jeho slavná teorie, tvoří jen 4% našeho vesmíru.
Straší tady...?
26 % vesmíru připadá na tzv. „temnou hmotu“. Tato exotická látka se od naší běžné hmoty liší tím, že nereaguje na elektromagnetické záření. Nevysílá světlo, tak jako to dělají například běžné , je dokonce pro elektromagnetické záření, které na ni dopadá, průhledná. Nereaguje s ním, neodráží ho - a ani její povrch ho nepohlcuje. Záření naší „běžné“ hmoty i běžná hmota sama touto „temnou hmotou“ prochází, jako by reálně vůbec neexistovala. Díky této své vlastnosti by si zasloužila spíše název „průhledná“ nebo „strašidelná“.Elektromagnetismus a Pauliho princip dělají ze strašidel reálné objekty
Za to, že obyčejná „pevná“ hmota nemůže procházet jinou pevnou hmotou, může právě elektromagnetická síla. Když držíte v ruce tužku, nepropadne vám dlaní proto, že elektrony na oběžných drahách kolem jader vnějších atomů vaší ruky odpuzují elektrony vnějších atomů tužky. Elektrony jsou samotáři, svým kolegům se vyhýbají, pokud to jen trochu jde.Kromě toho se část naší běžné hmoty řídí tzv. Pauliho vylučujícím principem, který se stará o to, aby dvě stejné částice atomových jader nemohly zaujmout stejné místo ve stejném prostoru. S trochou nadsázky bychom mohli říci, že některé z částic naší hmoty (dostaly jméno „fermiony“) nemají rády dvojlůžkové pokoje a trvají na pokojích jednolůžkových. Některé zase sdílejí svůj prostor s jinými částicemi velice ochotně a dalo by se říci, že často a rády pořádají v pomyslném hotelovém pokoji divokou party. Společným názvem takových kamarádsky založených částic je „bozon“.
Není ji vidět, odkud tedy víme, že temná hmota existuje?
Tzv. „temná“ hmota se v našem vesmíru naštěstí přeci jen něčím projevuje - a to svou gravitací. Křiví svým vlivem prostor, který pak ovlivňuje dráhu jím prolétajících částic, například fotonů. Ty následně vidíme v našich teleskopech. Díky tomuto jevu známe celkem přesně místa výskytu temné hmoty. Nachází se kupodivu ve stejných oblastech vesmíru, ve kterých pozorujeme i „běžnou“, zářící hmotu. Oba druhy hmoty tedy existují paralelně vedle sebe, nebo dokonce „v sobě“.Právě to, že temná hmota neodolá gravitaci, by mohlo jednoho dne přivést k vysvětlení její podstaty. Podle jedné z dnešních teorií tvoří temnou hmotu tzv. WIMP-částice (weakly interacting massive particle).
Měly by to být specifické částice, které jsou zároveň svými vlastními antičásticemi. Pokud se dostanou do vzájemné blízkosti, anihilují se za vzniku spršky gamazáření. Vědci, kteří po podobných výronech gamazáření pátrají, zatím neměli úspěch. Mohli by ale uspět, pokud budou jednoho dnes schopni pozorovat blízké okolí černých děr. Supermasivní černé díry (jaké se nacházejí v centru téměř každé galaxie) jsou totiž pro temnou hmotu neodolatelné. V jejich blízkosti by se mohly částice temné hmoty koncentrovat, srážet a díky tomu také často anihilovat.
... záhady se množí
Zbytek hmoty vesmíru, celých 70% připadá na tajemnou „temnou energii“. Zatímco u temné hmoty mají vědci alespoň náznaky teorií, které by mohly objasnit její podstatu, je temná energie velkou neznámou. Projevuje se tím, že rozpíná náš vesmír. A během posledních několika miliard let to dělá stále rychleji.U temné hmoty a temné energie si musíme na potvrzení teorií nejspíš ještě počkat. Jak je to ale s „běžnou“, normální a viditelnou hmotou? Víme, z čeho se skládá a co ji tvoří?
Známý neznámý svět částic – částicové Zoo
Částice, ze kterých se skládá naše „běžná“ hmota, jsou zahaleny množstvím záhad. Zdá se, že každá nová teorie, která vysvětluje jejich vlastnosti, přidává na druhé straně jednu nebo hned několik nových nesrovnalostí. A tak věda hledá další teorii k jejich vysvětlení. Ta ovšem sice svůj účel splní, zároveň ale vyvolá nové kolo otázek.Jako „částice“ fyzika označuje malé části hmoty, které se projevují nějakými, pro sebe typickými a charakteristickými vlastnostmi (energií, hmotností, elektrickým nábojem, spinem, chemickou reaktivností, dobou života a podobně).
Rozeznáváme dva základní druhy částic. Tzv. „elementární částice“ se nedá dále dělit. Její vnitřní struktura je neznámá. Elementární částice se dají roztřídit na základní fermiony (kvarky, leptony a jejich antičástice) a základní bosony (výměnné bosony a Higgsův boson). Dalším druhem jsou složené částice. U nich vnitřní strukturu známe. Tvoří ji různě kombinované elementární částice.
Svět našich částic zatím nejlépe popisuje tzv. standardní model. V jeho rámci se dají vysvětlit mnohé jejich vlastnosti a dokonce i jejich vzájemné interakce. Standardní model zahrnuje několik poměrně známých, často používaných, ale pro laika lehce matoucích pojmů. Které částice jsou mezony? Které leptony a které fermiony? A proč se některým částicím říká hned několika jmény? Situace je poměrně jednoduchá. Pojďme se na ni podívat s pomocí obrázku.
Částice se podle svých vlastností dělí na bosony a fermiony. Některé z nich jsou skutečně elementární – tedy nedělitelné, jiné se skládají z příslušných dalších ementárních částic, kvarků. Složeným částicím se říká souhrnně hadrony.
Fermiony jsou naopak částicemi pevné hmoty.
Obě kategorie obsahují jak částice složené, tak jednoduché. Těm složeným se říká hadrony. Patří k nim mesony, které jsou podkategorií bosonů – představují bosony, složené ze dvou kvarků. Podobnou podkategorii fermionů tvoří baryony, které jsou složené hned ze tří kvarků. Nesloženým, jednoduchým fermionům se říká leptony.
Standardní model
„Zoologické zahradě“, ve které jsou zavřené elementární i složené částice, se říká „standardní model“. Tak, jako jsou od sebe odděleny šelmy a býložravci ve skutečně Zoo, dělíme i částice pomyslně podle jejich schopností a vlastností do různých skupin.Když je v reálném životě přivedeme do vzájemné blízkosti, začínají mezi sebou reagovat podobně, jako by mezi sebou reagovala zvířata. Pokud pustíme do výběhu s antilopami hladového lva, „poreaguje“ s nimi. Podobně se chovají i některé částice. Na rozdíl od zvířat mají ale částice daleko život daleko pestřejší. Lev si může vybrat – a antilopu buď sežere nebo nesežere. Částice mají větší výběr. Částicová obdoba lva se umí například sežráním částicové antilopy ... přeměnit na tygra nebo nosorožce. Existují dokonce i částice, které ráno vyletí z hnízda jako orli, v poledne se z nich stanou čápi a navečer vystupují před udiveným publikem jako dobře vycvičení papoušci.
Líbí se vám představa částicové Zoo? Prohlédněme si ji trochu důkladněji.
Na obrázku je vidět rozdělení elementárních částic ve standardním modelu – tedy základní dělení naší Zoo. Různé druhy tvoří různé skupiny a jsou uzavřené do svých vlastních výběhů. Rozlišujeme tak mezi kvarky, leptony a bosony, viz následující obrázek.
Uvnitř každého výběhu se nacházejí zdi, které od sebe dělí různá částicová zvířata. Kvarky se například podle své hmotnosti dále dělí na tři tzv. „rodiny“.“ Úplně lehké kvarky (up a down) se chovají jinak než těžší rodina (charm a strange) a ta má zase jiné vlastnosti než těžkotonážní varianta kvarků (top a bottom).
Ve vedlejším (zde zelenou barvou natřeném) výběhu vidíme jeden set elektricky nabitých a jeden set elektricky neutrálních leptonů. Stejně jako kvarky se dělí na lehké, těžší a těžkotonážní.
Poslední výběh je určen pro částice zprostředkovávající síly, působící na vesmírnou hmotu. Tyto síly jsou dohromady čtyři, proto rozlišujeme čtyři různé silové částice.
Výčet završuje tzv. higgsův boson. Ten nemá žádný výběh, a to z jednoduchého důvodu: patří k vymřelým druhům. Ne, nevyhubili jsme ho my, lidé, zmizel už před delší dobou. S trochou štěstí dnes nacházíme už jen jeho fosilie.
Kvarky
Kvarky vidíte na horním obrázku v červeném výběhu. Mají zvláštní vlastnosti, působí na ně například tzv. „silná jaderná síla“ – dalo by se říci „bojí se lva“.Kvarky jsou zajímavé elementární částice, které se ve vesmíru nikdy nevyskytují osamoceně, ale jen ve skupinách, podobně jako kopytníci. Rozlišujeme dohromady šest druhů. Jejich jména jsou možná trochu exotická: up, down, charm, strange, top a bottom. Tak, jako se od sebe liší zebry a antilopy barvou a tělesnou konstrukcí, liší se od sebe kvarky svou hmotností.
Fyzikální zákony v našem vesmíru si pro tvorbu „běžné“ hmoty vybraly jen dva nejlehčí kvarky: up a down. Ostatní kvarky umíme vyrobit v urychlovačích, pro vznik hmoty v dnešních vesmírných podmínkách se ale nehodí. Proces by byl příliš energeticky náročný – a příroda je na to, aby povolila podobné excesy, příliš spořivá.
Vlastnosti kvarků
Moderní věda nám dnes umí kvarky celkem dobře - vykreslit.Jsou to částice „běžné“ hmoty, reagují tedy nejen na výše zmíněnou sílu, silnou jadernou interakci, ale také na elektromagnetickou sílu. Mají dokonce vlastní elektrický náboj. Pro zjednodušení se vyjadřuje zlomky jednotek. „Up“ kvarky mají elektrický náboj, rovný +2/3 jednotky. „Down“ kvarky mají náboj jiný, -1/3 jednotky.
Odlišují se ještě jednou vlastností, které se říká zjednodušeně „barva“. Nejde samozřejmě o barvu v klasickém smyslu slova, je to spíše vlastnost, která se chová stejně jako se chovají barvy duhy.
Obrázek: „Barvy“ kvarků a antikvarků.
Kvarky nesou „barvu“ červenou, modrou a zelenou. Jejich antičástice (antikvarky) nesou barvu antičervenou, antimodrou a antizelenou - tedy cyklamovou, žlutou a magentu. Kvarky tvoří vždycky skupinky po třech, výjimečně po dvou. Stejně jako barvy duhy, i kvarky pak mísí svoje „barevné náboje“ tak, že je výsledná „barva“ konečné částice bílá.
Částicím, které se z kvarků skládají, se souhrnně říká „hadrony“. Nejznámějšími hadrony jsou protony, neutrony a piony.
Protony a neutrony obsahují tři kvarky: Jeden up a dva down nebo jeden down a dva up. Elektrický náboj těchto kvarků se skládá dohromady a vytváří celkový náboj protonu a neutronu. Výsledný proton má elektrický náboj up+2/3 up+2/3 down-1/3, tedy rovný celému číslu 1. Neutron vlastní pro změnu down-1/3 down-1/3 a up+2/3 kvarky. Jeho výsledný náboj je tedy 0.
Tzv. piony se skládají jen ze dvou součástek - z jednoho kvarku a jeho příslušného antikvarku. „Jak je to možné, hmota a antihmota se přeci navzájem anihiluje“, namítnete jistě na tomto místě. Ano, to je pravda, ale tato anihilace neprobíhá okamžitě, je na ni potřeba určitá (i když velice krátká) doba. Částice, které se skládají z kvarků a antikvarků, proto mají samozřejmě úplně jiné vlastnosti, než částice hmoty, skládající se ze tří kvarků. Jejich vlastnosti jsou dokonce tak odlišné, že tyto částice zařazují do úplně jiného výběhu našeho pomysleného částicového Zoo – nepatří k částicím hmoty, ale mezi částice, zprostředkující vesmírné síly.
Leptony
Dalším druhem elementárních částic, ze kterých se skládá naše hmota a které si můžete prohlédnout v částicové Zoo, jsou tzv. „leptony“. Na horním obrázku se nacházejí v zeleném výběhu. Nepůsobí na ně silná jaderná síla, takže se mohou v přírodě vyskytovat i osamoceně.Samotářské leptony se dělí na elektricky nabité (vrchní řádek) a elektricky neutrální (dolní řádek).
Mezi nabité leptony patří elektrony, myony a tauony. Tak, jako existuje 6 kvarků, rozdělených podle své hmotnosti do tří „rodin“, liší se hmotností i tyto leptony. Příroda si k tvorbě hmoty vybrala zase jen ten nejlehčí z nich – elektron. Stejně jako mezi zvířaty, i tady se vždy prosadí ta nejefektivnější varianta. Druhá a třetí rodina leptonů je daleko hmotnější, jejich použití by bylo proto energeticky náročnější. Myony jsou například 200x těžší než elektrony a taurony dokonce 4000x hmotnější. Protože příroda volí vždy raději tu jednodušší z nabízených variant, pro tvorbu hmoty dnes tyto těžké částice nevyužívá. Hojně se vyskytovaly ale bez pochyb v raném vesmíru, těsně po Velkém třesku.
Neutrálními leptony se nazývají neutrina. Neutrina reagují naopak slabou jadernou silou, ta má ale jen velice krátký dosah. To je i důvodem pro vysokou intertnost neutrin. Při běžné teplotě s ostatní hmotou prakticky nereagují. Neutrina jsou v naší částicové Zoo opravdovými lenochody. Možná budete mít štěstí a na chvíli je zahlédnete, ale většinu doby prospí. Nedělejte si iluze, že rozeznáte jednotlivé členy rodiny, jsou si všichni úžasně podobní. Navíc umí po libosti měnit pohlaví (díky jevu, kterému se říká elektronová oscilace) a mají legraci z toho, že vás to mate.
„Životnost“ elementárních částic
Průměrná doba existence základních elementárních částic se případ od případu liší. Některá částicová „zvířata“ mají život vpravdě jepičí. Jiná žijí daleko déle, než my, lidé.Díky experimentům v urychlovačích (jedním z nejznámějších je CERN) víme, že se těžké leptony během zlomků vteřiny rozpadají na menší a méně hmotné. Při rozpadu pak nevznikají úlomky velkých částic, jako je tomu při rozpadu radioaktivních jader – rozpad částic se řídí takovými pravidly, která zaručují, aby se zachoval celkový náboj původního objektu a jeho hmota, případně energie.
Up kvarky, elektrony a jim odpovídající antičástice jsou prakticky věčné. Down kvarky jsou trvanlivé jen tehdy, když se pojí s up kvarky a tvoří s nimi proton nebo neutron.
Kvarky druhé a třetí generace, stejně jako w- a z-bozony jsou oproti tomu nestabilní a rozpadají se během více či méně krátké doby na lehčí částice. Přitom je rozpad tím rychlejší, čím hmotnější je – a čím více variant rozpadu je částici umožněno.
Poločas rozpadu
Pokud se někdy setkáte s tzv. „střední dobou“ nebo „poločasem“ rozpadu elementární částice, je to jiný pojem, než jaký používá fyzika pro rozpad radioaktivních jader. U těch je střední doba rozpadu časovým úsekem, během kterého se rozpadne polovina atomů. Střední doba rozpadu elementárních částic je také rovna době, během které se počet částic sníží na určité množství. Toto množství ale určuje zlomek 1/e. Odpovídá to zhruba 36 procentům původního množství.
Místo rozpadu – neustálé přeměny
U jednoho druhu částic, neutrin, se nedá mluvit o „životnosti“ v pravém slova smyslu. Tyto málo aktivní částice se sice nerozpadají, zato mění svůj druh, nebo, chcete-li – pohlaví. Z elektronového neutrina se tak průběžně stává tau-neutrino nebo myonové neutrino. Tomuto zvláštnímu jevu vědci říkají neutrinová oscilace. Patří k tomu nejzajímavějšímu a nejexotičtějšímu, co vám může částicové Zoo nabídnout.Pokračování příště...
Žádné komentáře:
Okomentovat