První část série věnované asymetrii hmoty byla zakončena výrokem, že asymetrie se stala součástí hlavního proudu vědy. Symetrie však i nadále zůstává základním kamenem fyzikálních teorií. Pojďme se tedy podívat, jakou roli má symetrie v našem světě, ve fyzikálních modelech, matematických operacích, a jaké důsledky z toho plynou. Lucifer
Nejdříve je třeba říci, že rozlišujeme "vnější" a "vnitřní" symetrie. Vnější symetrie se projevují v prostoru a čase, vnitřní symetrie pak souvisí s proměnou elementárních částic, se změnou jejich identity. Příkladem vnější symetrie je třeba čtverec, který kdy otočíme o 90 stupňů kolem středu, bude vypadat pořád stejně, má tedy rotační symetrii. Čtverec má rovněž zrcadlovou symetrii: když ho rozpůlíme podél osy vedené středem čtverce a středem stran nebo úhlopříčkou čtverce, obě části budou vzájemným zrcadlovým obrazem. Takovou symetrii si tedy můžeme názorně představit jako změnu beze změny: po provedení příslušné operace symetrie zůstane objekt stejný, jako by se s ním nic nestalo. Jedním z nejhlubších důsledků existence symetrií vůbec je jejich souvislost s fyzikálními zákony zachování. Každá symetrie fyzikálního systému má vždy za následek existenci nějaké zachovávající se fyzikální veličiny, která je v čase konstantní, má stále stejnou hodnotu. Externí symetrie (prostoru a času) konkrétně implikují zákon zachování hybnosti (což je součin hmotnosti a rychlosti) a energie. Celková energie a celková hmotnost systému, který je časově a prostorově symetrický, zůstávají pořád stejně velké. Symetrie částicové fyziky jsou rafinovanější. I v mikrosvětě samozřejmě najdeme vnější symetrie prostoru a času, zajímavější však jsou ty vnitřní symetrie. Hlavním znakem mikrosvěta je neustálá proměna: částice se mohou převtělovat jedna v druhou, měnit svou identitu. Například izolovaný neutron se sám záhy rozpadne na proton, elektron a antineutrino. Cílem částicové fyziky je najít pravidla, jimiž se všechny tyto proměny řídí. Po zhruba stoletém bádání se ukázalo, že částice navzájem interagují a přeměňují se dle striktně dodržované soustavy pravidel, zákonů zachování. Každý z těchto zákonů zachování přitom souvisí buď s vnější (tedy prostoročasovou), anebo nějakou vnitřní symetrií, kterážto rozhoduje o tom, jak si částice vyměňují identitu. Částice se potenciálně může proměnit na spoustu jiných druhů částic, jakoby trpěla rozštěpením osobnosti. Jakou konkrétní identitu na sebe vezme, závisí na specifických okolnostech interakce. Jedním z hlavních triumfů fyziky 20. století byl právě objev pravidel, jimiž se řídí všechny pozorované metamorfózy částic hmoty, a odhalení symetrických principů, které za nimi stojí. Velkým překvapením proto bylo, že některé z předpokládaných symetrií jsou narušovány a že tato skutečnost má často hluboké důsledky. V roce 1897 J. J. Thomson ohlásil objev elektronu, první elementární částice hmoty, kterou se podařilo identifikovat. Thomson ukázal, že elektrony jsou obsaženy v různých chemických prvcích, že všechny mají stejnou hmotnost i záporný elektrický náboj a přišel s hypotézou, že elektrony jsou stavebními kameny všech prvků. Thomsonův objev elektronu odstartoval revoluci v poznávání struktury atomů. Během 20. a 30. let minulého století experimenty navíc odhalily alchymickou povahu jaderné hmoty: jádra atomů se mohou přeměňovat na jiná. Dochází k tomu buď umělým bombardováním svazkem částic, nebo přirozenými radioaktivními rozpady, přičemž všechny tyto transmutace zachovávají energii i hybnost, a také třeba celkový elektrický náboj, což je projevem vnitřní symetrie. Čtyři roky před objevem neutronu se Paul Dirac pokusil konzistentně propojit kvantovou mechaniku se speciální relativitou. Pohybuje-li se totiž elektron kolem atomového jádra, činí tak obrovskou rychlostí, jež se blíží rychlosti světla. Předpovědi plynoucí z klasické kvantové mechaniky by proto měly být opraveny o relativistické korekce, i když jenom nepatrně. K překvapení všech našel Dirac nikoli jedno, ale hned dvě navzájem související řešení jeho nové relativistické kvantové rovnice. Tato řešení měla opačný elektrický náboj. Jedno řešení zjevně popisovalo záporně nabitý elektron. Ale co druhé řešení? Dirac se zprvu domníval, že druhé řešení popisuje proton. J. Robert Oppenheimer si však brzy uvědomil, že druhé řešení Diracových rovnic popisuje "kladný elektron". Takto předpověděná nová částice byla nazvána pozitron, což znamená pozitivně nabitý elektron. Důkladným pozorováním se zjistilo, že pozitrony se na Zemi přirozeně nevyskytují. Jsou produktem rozpadu a srážek běžných částic. Jejich zdrojem je Slunce, jež při erupcích vyvrhuje ohromná množství protonů, které když dorazí do horních vrstev zemské atmosféry, srážejí se s jádry dusíku a dalších prvků, čímž vznikne mnoho dceřiných částic. Ty narážejí do dalších jader a generují spoustu dalších částic atd., mezi nimiž se nalézají detekované pozitrony. Pozitron může vzniknout například tak, že foton gama záření s velmi vysokou energií narazí do protonu. Energie fotonu stačí na to, aby vyprodukovala elektron-pozitronový pár, přičemž nejzajímavější na tom jen, že proton zůstane, zatímco foton se promění na tento pár. Vidíme zde proměnlivost hmoty v celé její kráse. Nehmotné záření (foton s nulovou klidovou hmotností) se přemění na hmotné částice (s nenulovou klidovou hmotností). Pozitron je antičástice elektronu. Byl to první objevený příklad antihmoty. Sám Dirac si brzo uvědomil, že jeho teorie, která kombinuje kvantovou mechaniku a speciální teorii relativity, poskytuje rovnice, jež popisují také proton a jeho antičástici, antiproton, který má opačný náboj než proton. Dirac ukázal, že existence antihmoty je nevyhnutelným důsledkem spojení kvantové mechaniky a relativity. Je vskutku impozantní ukázkou skutečnosti, že matematická struktura je někdy schopna předpovědět objekty, které jsou teprve následně v přírodě objeveny. Není se co divit, že Dirac nabyl přesvědčení, že pouze krásné rovnice mohou být správné. Diracova predikce je jasná: každá částice hmoty má svého antihmotového souputníka. Většinu vlastností mají shodných, především hmotnost a velikost spinu. (Spin je vlastnost elementárních částic, jejíž ekvivalent klasická fyzika nezná. Jde o vnitřní moment hybnosti částice, který si můžeme velmi obrazně představit jako rotaci částice.) Je zcela pochopitelné, proč se Dirac tak usilovně snažil prokázat existenci magnetických monopólů. Jen s nimi je totiž možné nastolit dokonalou symetrii elektromagnetismu. V nitru nejspíš hluboce věřil, že jenom tehdy bude Maxwellova teorie (která popisuje elektromagnetismus pomocí slavných Maxwellových rovnic, jež kombinují elektrické a magnetické pole) opravdu nádherná. Ale i přes nezměrné úsilí Diraca a mnoha dalších se věci nevyvíjely podle plánu. Jako vždy se prostě ukázalo, že příroda je mnohem kreativnější. Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru Poznámka: Problém magnetického monopólu se zde již objevil nejmíň podruhé. Vzhledem k tomu, že mi tato představa připadá poněkud postavena na hlavu, inspirovalo mě to k sepsání úvahy, jež se bude dotýkat nejen magnetického monopólu, ale i obecnějšího pohledu na vztah mezi matematickými modely či konstrukcemi teoretické fyziky a fyzikální realitou podloženou výsledky experimentálního pozorování. Možná to zde vyjevím už zítra, nebo v pondělí, které začíná v sobotu (viz dílo bratří Strugackých).
10.11.2012, 00:11:11 Publikoval Luciferkomentářů: 0