Asymetrie hmoty V - Symetrie a asymetrie

rubrika: Populárně naučný koutek


Předchozí část byla věnována mezerám ve vědeckém poznání, které se podle Gleisera nikdy nezacelí. Symetrie jsou skvělý nástroj, ale nepředstavují finální zákony. Příroda je nádherná právě svou nedokonalostí. Za každou nedokonalostí se totiž skrývá mechanismus, jenž generuje komplexní struktury a složité chování. Dokonalá příroda by byla fádní a beztvará. Existovala by jenom v platónském snu, naprosto odtržená od reality. Podívejme se nyní na úlohu asymetrie v mikrosvětě.

Lucifer


V nepřítomnosti elektrických nábojů a magnetů vykazují řešení Maxwellových rovnic nádhernou symetrii mezi elektrickým a magnetickým polem: obě vlny se navzájem dynamicky proplétají, čímž vzniká elektromagnetická vlna šířící se vakuem rychlostí světla. Jakmile jsou však přítomny zdroje, symetrie se naruší, protože neexistují magnetické monopóly, jež by byly analogiemi izolovaných a statických elektrických nábojů (viz Asymetrie hmoty II a Magnetický monopól - Matematický model a fyzikální realita).

V části Asymetrie hmoty III bylo řečeno, že existuje jakási asymetrie hmoty a antihmoty. Symetrii hmoty a antihmoty lze vyjádřit pomoci matematické operace, která proměňuje konkrétní částici hmoty v odpovídající částici antihmoty s opačnými kvantovými náboji. Tato operace se nazývá nábojové sdružení a symbolizuje se velkým písmenem C. Kvantový náboj se netýká jenom elektrického náboje, ale také celé řady dalších kvantových vlastností té či oné částice, jako je třeba podivnost, leptonový náboj, vůně, barva atd. Pozorovaná asymetrie mezi hmotou a antihmotou tedy říká, že příroda nevykazuje symetrii nábojového sdružení. C-symetrie je konkrétně narušena při slabých interakcích. Pachatelem jsou neutrina, snad nejdivnější ze všech známých částic.

James Chadwick, který v roce 1932 objevil neutron, zkoumal takzvaný beta rozpad, což je proces spontánního vyzařování z radioaktivních jader. Některá atomová jádra s velkým počtem neutronů totiž mohou zvýšit svoji stabilitu tím, že přemění některý neutron na proton a z jádra (vzhledem k zákonu zachování celkového elektrického náboje) vyletí elektron. Šok nastal v okamžiku, když Chadwick zkontroloval, zdali platí zákon zachování energie, podle níž by rozdíl hmotností jádra před rozpadem a po něm měl být roven energii vylétajícího elektronu. Žádný z elektronů však takovou energii neměl a jejich energie se dokonce případ od případu výrazně měnila. Koncem roku 1930 přišel Wolfgang Pauli s bláznivým nápadem: navrhl totiž existenci částice, kterou není možné detekovat. Pauli měl přitom konkrétně na mysli, že by se v jádrech mohly nacházet elektricky neutrální částice, které navrhl nazývat neutrina. Neutrina vylétající při beta rozpadu by nesla různou energii, právě takovou, aby v součtu s energiemi vylétajících elektronů dávala vždy přesně energii odpovídající rozdílu hmotností mezi oběma jádry.

Ve skutečnosti se při beta rozpadech neuvolňují neutrina ale antineutrina. Příčina tkví v další symetrii, jež má za následek zachování leptonového čísla při slabých interakcích. Leptonové číslo si můžeme představit jako jistý druh "náboje" podobného elektrickému náboji. Každý lepton (třeba elektron) nese jednu kladnou jednotku leptonového čísla, zatímco každý antilepton (například pozitron) jednu zápornou jednotku. Má-li se při beta rozpadu zachovávat leptonové číslo, musí být leptonové číslo elektronu (-1) kompenzováno leptonovým číslem antineutrina (-1). Protože neutrony a protony jsou hadrony, jejich leptonová čísla jsou nulová.

Neutrina, jež interagují jen prostřednictvím slabé síly, je nesmírně těžké zachytit. Jejich mohutným zdrojem je nitro Slunce, kde dochází k slučování vodíku v helium. Každou sekundu námi procházejí biliony těchto slunečních neutrin, aniž bychom si toho povšimli. Přes jejich přízračnou duchovou podobu lze neutrina detekovat. V roce 1956 se to poprvé podařilo. Mezi Pauliho teoretickou předpovědí neutrin a jejich skutečnou detekcí uplynulo 26 let. Příběh antineutrin prokazuje, jak asymetrická příroda kolem nás skutečně je. Neutrina jsou velmi důležitou postavou nedokonalého vesmíru. Abychom pochopili proč, je třeba použít další typ prostorové symetrie, která se nazývá parita.

Operace parity, jež se obvykle symbolizuje velkým písmenem P, převrací každý objekt na jeho zrcadlový obraz. Částice mají jednu zvláštní kvantovou vlastnost, které se říká spin. Z našeho makroskopického pohledu si to můžeme velmi přibližně představit tak, že částice rotují jako setrvačník. Ale částice nejsou běžné setrvačníky, jsou to kvantové objekty, a proto je také jejich spin kvantovaný. Znamená to, že částice mohou "rotovat" jenom malým počtem dovolených způsobů. Všechny částice tvořící hmotu, tedy kvarky a leptony, mohou "rotovat" jen dvěma možnými způsoby. Říkáme, že mají spin 1/2, přičemž "rotují" buď doleva, nebo doprava - mají tedy jenom dva možné "rotující" stavy, +1/2 a -1/2. Tyto dvě alternativy jsou ve skutečnosti svými zrcadlovými obrazy. Operace paritní symetrie zkrátka mění orientaci spinu částice.

Beta rozpad, díky němuž byla zavedena neutrina, skrývá další eso v rukávu. Pomocí něj se dá ukázat, že neutrina nejsou symetrická vůči operaci parity. Neutrina interagují s hmotou pouze ve své levotočivé podobě, naproti tomu antineutrina se vyskytují jenom v pravotočivé podobě. Pravotočivá neutrina sice mohou teoreticky existovat, ale nikdy nebyla detekována. Buď to znamená, že s obvyklou hmotou interagují nesmírně slabě, anebo že jsou velice těžká, anebo prostě neexistují. Tak nebo tak, zjevně se naprosto liší od svých levotočivých bratranců. Jsou však tady ještě další souvislosti.

Aplikací samotné C operace na levotočivé neutrino dostaneme levotočivé antineutrino. Problém je v tom, že takové objekty v přírodě zřejmě neexistují. Proto slabá interakce, což je kromě gravitace jediná interakce, kterou neutrina pociťují, narušuje symetrii nábojového sdružení. Jestliže však na levotočivé neutrino aplikujeme jak C, tak P, dostaneme pravotočivé antineutrino: C promění neutrino na antineutrino a P promění levotočivé na pravotočivé. Slabé interakce tedy narušují zvlášť C a zvlášť P, ale zdá se, že respektují kombinovanou operaci CP symetrie. Všichni si oddechli. Věřili, že při všech možných procesech příroda vykazuje CP symetrii. Krása a elegance mikrosvěta byla opět nastolena. Nadšení ale netrvalo dlouho. V roce 1964 James Cronin a Val Fitch objevili, že při rozpadech částic zvaných neutrální kaony dochází ke slabému narušení CP symentrie.

Narušení CP symetrie má mnohem hlubší a tajuplnější důsledky: částice si jím totiž volí preferovaný směr času. Asymetrie času, charakteristická to vlastnost expandujícího vesmíru, se vyskytuje také na mikroskopické úrovni! Že čas plyne vpřed, je každému jasné. Z vajíček vždycky uděláme omelety, a nikoli naopak. Kostka cukru rozpuštěná v kávě se už nikdy samovolně neposkládá zpět na kostku cukru atd. Pro jednodušší systémy ale toto rozlišení není zjevné. Kupříkladu kyvadlo se může kývat zleva doprava i zprava doleva. Sledujeme-li jenom jeho oscilující pohyb, nemůžeme rozhodnout, jaký je správný směr času. O takových systémech říkáme, že jsou invariantní vůči obrácení času. Nemají privilegovanou časovou orientaci. Můžeme zavést operaci příslušné symetrie, jíž je otočení směru času. Běžně se označuje velkým písmenkem T. Existuje kosmický směr plynutí času, jenž určuje zrod a evoluci galaxií i konečný osud nás a vesmíru jako celku. Obecně se předpokládalo, že v subatomárním světě je tomu jinak. Všichni věřili, že mikrosvět je maximálně symetrický. Ale není. Standardní model částicové fyziky byl nucen do sebe začlenit různé asymetrie.

Existuje jiný způsob, jimž můžeme nahlédnout souvislost mezi narušením CP symetrie a privilegovanou šipkou času. Teorie částicové fyziky musejí splňovat kombinovanou trojitou symetrii CPT. Kdybychom museli opustit tuto symetrii, pak by Einsteinova speciální teorie relativity byla chybná anebo alespoň výrazně neúplná. Naštěstí se dosud žádné narušení CPT symetrie nikdy nepozorovalo. V takové situaci pozorované narušení CP symetrie okamžitě implikuje narušení T symetrie, neboť jejich spojení musí zůstat neměnné. Dokud platí CPT invariance, narušení CP má za následek existenci specifické šipky času na makroskopické úrovni.

Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru


komentářů: 0         



Komentáře (0)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_