KAPITOLY
?

KAPITOLA II.

Kde se podíváme na čtyři úžasné síly, které ve vesmíru řídí úplně vše...

ÚVOD

Teorie velkého třesku dokáže uspokojivě vysvětlit vznik vesmíru, co však již vysvětlit nedokáže, je interakce mezi jednotlivými druhy energie kosmu. Proč se krátce po velkém třesku některé z elementárních částic spojily a vytvořily protony a neutrony? Co přimělo elektrony, aby se na ně poté poslušně navázaly a společně daly vzniknout prvním atomům? Proč se tyto atomy následně začaly shlukovat a stvořily žhnoucí hvězdy a mohutné galaxie?

Ukázalo se, že ze všech událostí ve vesmíru mohou být viněny čtyři fundamentální interakce (čtyři fundamentální síly) – gravitace, elektromagnetismus, silná interakce a slabá interakce. O prvních dvou interakcích má alespoň základní přehled snad každý, o posledních dvou jste možná nikdy neslyšeli. Je však velmi důležité těmto interakcím porozumět, jelikož řídí ve vesmíru úplně všechno.

Jako příklad si vezměte například sebe. Nejprve se ponořme hluboko do mikrosvěta 1 , kde spatříme základní stavební kameny všeho. Vaše tělo je, stejně jako všechno ostatní ve vesmíru, složeno z energie. Jedná se samozřejmě o energii v různých formách, avšak v podstatě je to jednoduše energie.

Energie lidského těla je koncentrována převážně do formy elementárních částic – těch stejných částic, které byly vytvořeny okamžik po velkém třesku. Tyto částice dále tvoří částice složené – protony a neutrony. Proč však tyto částice drží při sobě? Díky silné interakci. Když se posuneme o úroveň výše, spatříme jakési shluky protonů a neutronů – atomová jádra. Z existence těchto jader můžeme opět vinit silnou interakci. Kolem těchto jader oddaně sviští elektrony. Zde vidíme známku další ze sil – elektromagnetismu. Jednotlivé atomy dále tvoří molekuly, opět projev elektromagnetismu.

No a nakonec, pokud se zrovna nenacházíte na mezinárodní vesmírné stanici nebo tento text nečtete ve vzdálené budoucnosti na jiné planetě (s největší pravděpodobností na Marsu), je dost možné, že se nacházíte na naší malé modré planetě. A jediná „síla“, díky které držíte pevně při Zemi místo toho, abyste odlétli daleko do kosmu, je samozřejmě gravitace – další ze základních interakcí.

A zde naše demonstrace končí. Ukázali jsme si podstatu tří ze čtyř interakcí jen za použití lidského těla nacházejícího se na Zemi. Pokud vás zajímá i čtvrtá síla, slabá interakce, budete si muset ještě chvíli počkat. V každodenním životě se projevuje ze všech nejméně. Nyní si však podrobně rozeberme všechny z interakcí, jednu po druhé. A začněme tou nejzáludnější a nejpodivnější – gravitací.

DALŠÍ

GRAVITACE

Od ostatních interakcí gravitaci odlišuje hned několik věcí. Tak za prvé, gravitace je zdaleka nejslabší z fundamentálních sil. Ostatně, to si můžeme jednoduše demonstrovat. Pokuste se nyní rukou zvednout nějaký předmět. Může to být tužka, sklenice, prostě cokoliv. Pokud jste uspěli a předmět se právě nachází ve vzduchu obklopen vaší dlaní, pak vám gratuluji – právě se vám podařilo překonat gravitační tah celé Země o hmotnosti v řádech bilionů bilionů kilogramů a vyvinuli jste u toho minimální množství energie. Jak je tedy možné, že je gravitace dominantní silou vesmíru, když je tak nesmírně slabá?

Důvodem je, že ostatní tři interakce, i když mnohem silnější, jednoduše nejsou uzpůsobeny k tomu, aby byly převažující silou kosmu. Silná a slabá interakce mají příliš malý dosah – ovlivňují pouze objekty, co jsou k sobě mnohem blíže než miliardtina metru. No a elektromagnetismus se vztahuje pouze na objekty s elektrickým nábojem, kterých je v makrosvětě menšina – většina předmětů má neutrální elektrický náboj. Takže jediným důvodem, proč se tato až směšně slabá interakce stala hybnou silou kosmu je ten, že v makrosvětě jednoduše nemá žádnou konkurenci.

Druhým faktorem, který gravitaci činí výjimečnou, je fakt, že se pravděpodobně nejedná tak úplně o sílu, i když tak byla vnímána až do počátku 20. století. S příchodem Einsteinovy teorie relativity se však pohled na gravitaci dosti radikálně změnil. Einstein gravitaci viděl pouze jako zakřivení časoprostoru. Každý objekt vesmíru zkrátka ve vláknech časoprostoru vytváří jakýsi důlek a ostatní předměty poté mají díky tomuto důlku tendenci se k  předmětu přibližovat.

Je to podobné, jako když umístíte těžký předmět doprostřed trampolíny – celý její povrch se prohne a pokud nyní položíte jiný předmět na okraj trampolíny, začne se samovolně kutálet k původnímu předmětu. Tato analogie má však jednu nedokonalost. Stejně jako u nafukování vesmíru při velkém třesku, kdy jsme použili analogii s balónkem, i zde musíme ubrat jednu dimenzi, abychom jev pochopili.

Povrch trampolíny můžeme vidět jako dvourozměrný prostor (má šířku a délku, ale žádnou hloubku) podobně jako například list papíru. Objekt umístěný do jejího středu způsobí zakřivení tohoto prostoru, takže povrch trampolíny s předmětem uprostřed můžeme chápat jako dvojrozměrný prostor zakřivený ve třetí dimenzi.

Náš vesmír je však trojrozměrný, takže jakékoliv zakřivení způsobené přítomností objektu v našem časoprostoru probíhá ve čtvrté dimenzi. Proto také gravitační zakřivení nemůžeme nikdy pozorovat. Museli bychom býti čtyřrozměrnými bytostmi, aby nám bylo tohle zakřivení odhaleno.

Není však na škodu vědět, že dnes není jasné, zda je tato teorie se zakřiveným časoprostorem pravdivá. S dnešní technickou vyspělostí bohužel nedokážeme dokázat ani vyvrátit zakřivování našeho trojrozměrného prostoru do jakési čtvrté dimenze.

Je zde však ještě jeden, zcela odlišný, pohled na gravitaci. Dle tohoto pohledu zajišťuje gravitaci hypotetická částice zvaná graviton. Jak? Jednoduše řečeno, každé dva objekty ve vesmíru si vyměňují rozličná množství gravitonů, což způsobuje, že se přitahují.

Abychom však porozuměli tomu, proč dnešní fyzika popisuje gravitaci dvěma způsoby, musíme se nejprve seznámit s největším problémem dnešní fyziky – věčným hledáním teorie všeho. A k tomu se musíme vrátit více než sto let do minulosti, na počátek 20. století, kde budeme svědky zrodu dvou největších fyzikálních teorií dneška.

Ke konci 19. století už se někteří fyzikové domnívali, že je fyzika kompletní. Mysleli si, že je vše již řádně popsáno starými fyzikálními teoriemi. Pak ovšem přišel rok 1900 a nová revoluční teorie, kvantová mechanika, ukázala, jak nesmírně se mýlili. Tato teorie popisuje chování objektů mikrosvěta, které je naprosto odlišné od chování „normálních“ objektů. 2 O patnáct let později dostala stará fyzika další ránu v podobě Einsteinovy obecné teorie relativity, která kompletně přetvořila pohled na gravitaci a nádherně popsala pohyb objektů o vysokých rychlostech.

Mezi těmito dvěma moderními teoriemi však panuje jeden obrovský problém – každá popisuje úplně jiný svět. Zatímco kvantová mechanika úspěšně odkrývá podivnosti mikrosvěta, teorie relativity brilantně popisuje pohyb objektů makrosvěta. Pokud však chceme plně porozumět našemu záhadnému vesmíru, musíme tyto dvě nekompatibilní teorie sjednotit v jednu. O to se fyzikové snažili posledních sto let, zatím ale bez většího úspěchu. 3

A zde pramení problém s dnešním pohledem na gravitaci. Zatímco popis ostatních tří interakcí vychází z kvantové mechaniky, gravitace je dnes nejlépe popsaná obecnou teorií relativity. Cílem fyziků tedy je popsat gravitaci pomocí kvantové mechaniky, aby s ostatními interakcemi tvořila jednu ucelenou teorii. Tato dosud neexistující teorie se nazývá teorie kvantové gravitace nebo prostě teorie všeho.

A to je důvod, proč máme dnes na gravitaci dva různé pohledy – jeden téměř dokonalý v rámci teorie relativity, který však není slučitelný s pohledem na ostatní interakce, a druhý ne tak dokonalý v rámci kvantové mechaniky, který se fyzikové snaží zapasovat do své teorie všeho, zahrnující částice zvané gravitony, které mimochodem nikdy nikdo dosud nedetekoval.

Nezoufejme však – naštěstí je zde hned několik věcí, které o gravitaci víme s naprostou jistotou. Za prvé, gravitace je vždy přitažlivá. Neexistuje tedy případ, kdy by se dva objekty vzájemně gravitačně odpuzovaly. Za druhé, gravitace se šíří rychlostí světla, což je nejvyšší možná rychlost, které může cokoliv v časoprostoru dosáhnout. 4 To znamená, že kdyby nyní Slunce zmizelo a přestalo na nás tak gravitačně působit, trvalo by celých 8 minut a 20 sekund, než bychom to zde na Zemi zaregistrovali a vymanili se ze slunečního gravitačního pole (v ten stejný okamžik by také Slunce zmizelo na obloze, jelikož by k nám zrovna dorazilo poslední sluneční světlo). Do té doby by Země dále poslušně obíhala kolem již neexistujícího Slunce.

No a třetím fascinujícím faktem, který o gravitaci víme, je, že má nekonečný dosah. To znamená, že tělo každého z nás přitahuje všechny ostatní objekty pozorovatelného vesmíru – ač se to může zdát podivné, gravitačně působíte třeba na svůj počítač, na všechny ostatní lidi na planetě, ale třeba i na galaxii Andromedu vzdálenou několik milionů světelných let. 5 Snad netřeba zdůrazňovat, že gravitační interakce mezi vámi a objekty kolem vás je však naprosto zanedbatelná – gravitace je jednoduše příliš slabá a její síla se začne projevovat až u nesmírně obrovských objektů.

PŘEDCHOZÍ
DALŠÍ

ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Elektromagnetismus je nám dost možná ze všech čtyř interakcí nejbližší. Většinou se však o elektromagnetismu hovoří jako o dvou odlišných entitách. První z těchto entit je elektřina, síla, na které stojí celá moderní společnost, jelikož pohání snad všechny moderní přístroje, od nejprimitivnějších kalkulaček až po ty nejrychlejší superpočítače. Bez elektřiny bychom neměli mimo jiné televizi, internet, počítače a mnoho dalšího. Rozhodně není sporu o tom, že elektřina je pro chod dnešní společnosti nesmírně důležitá. Co však druhá z těchto entit? Magnetismus je povětšinou známý pouze jako jakási roztomilá síla, díky které si můžeme na lednici připevňovat rozličné předměty. Je však magnetismus opravdu takový?

Ukázalo se, že elektřina a magnetismus jsou si velmi blízké. Dokonce tak blízké, že jedno nemůže existovat bez druhého. Když pohnete elektricky nabitou částicí (například elektronem), samovolně se v jejím okolí vytvoří magnetické pole. Naopak když manipulujete s magnetem, je generováno pole elektrické. Tohoto jevu je hojně využíváno v elektrárnách. Téměř všechny elektrárny jsou založeny na principu elektromagnetické indukce – v blízkosti vodiče elektřiny je umístěno magnetické pole, které se neustále otáčí (zde přichází do hry různé typy elektráren – každý z typů docílí otáčení magnetického pole jiným způsobem), což zapříčiní tvorbu elektrického proudu na vodiči.

Elektromagnetismus má stejně jako gravitace nekonečný dosah. Na rozdíl od gravitace však neovlivňuje každý objekt ve vesmíru, ale pouze objekty s elektrickým nábojem (stejné náboje se odpuzují, opačné přitahují). Přesto však elektromagnetismus pozorujeme všude kolem nás. Pojďme si nyní postupně popsat jednotlivé projevy elektromagnetismu. A začněme poněkud nečekaně – zrakem.

Zrak je nejdůležitějším z lidských smyslů. Více než tři čtvrtiny všech smyslových vjemů, které náš mozek obdrží na zpracování, je poskytnuta našima očima. Očima, které prošly stovkami milionů let evolučního vývoje, aby mohly správně plnit svoji funkci. Všechny rozličné zrakové orgány, od světločivných skvrn uvnitř titěrných organismů až po nejdokonalejší oči ve zvířecí říši 6 , mají ten stejný úděl – detekovat určitou část elektromagnetického záření, které říkáme světlo.

Jak už napovídá samotný název, elektromagnetické záření má co do činění s elektromagnetismem. K jeho vzniku a šíření dochází poměrně jednoduše – pohybující se elektrické pole generuje magnetické pole, které opět generuje elektrické pole a tak dále. Tato dokolečka se střídající pole cestují časoprostorem (pochopitelně rychlostí světla) dokud nenarazí na překážku, která by je pohltila.

Například elektromagnetické záření před okamžikem vyslané obrazovkou zařízení, na kterém čtete tato slova, cestuje do vašeho oka, kde je pohlceno a přetvořeno v elektrické signály vedoucí přímo do vašeho mozku. Zde jsou tyto signály zpracovány a následně dekódovány jako obraz. Kdyby elektřina a magnetismus nebyly jednou spojenou entitou, nemohlo by světlo vůbec existovat.

Nyní se od světla přesuňme na subatomární úroveň. Zaměřte se na jakýkoliv objekt, který máte na očích. Protony s kladným elektrickým nábojem přitahují záporně nabité elektrony, a tak umožňují existenci atomů, ze kterých je tento objekt vytvořen. Když se přesuneme o úroveň výše, dost pravděpodobně narazíme na molekuly (jakési shluky atomů) objektu. Tyto molekuly vznikají díky rozličným chemickým vazbám, které jsou opět projevem elektromagnetismu. Molekuly pak tvoří další různé formace, aby daly vašemu objektu kýžený tvar. Tyto formace nejsou opět následkem ničeho jiného než elektromagnetismu. 7 Zkráceně řečeno, pokud by najednou tato fascinující interakce přestala existovat, všechny objekty kolem vás, včetně vás samotných, by se okamžitě rozpadly na jednotlivé subatomární částice.

Jak jsme si právě ukázali, elektromagnetismus je stejně jako gravitace nezbytný pro existenci vesmíru takového, jaký ho známe. O projevech této interakce by se dalo hovořit mnohem déle, my se však přesuneme k další, neméně důležité síle – silné interakci.

PŘEDCHOZÍ
DALŠÍ

SILNÁ A SLABÁ INTERAKCE

Silná interakce je, jak už napovídá název, nejsilnější ze všech čtyř interakcí. Je asi stokrát silnější než elektromagnetismus (a asi sto bilion bilion bilionkrát silnější než gravitace). Jak je ale možné, že o ní skoro nikdy neslyšíme, jestliže je má tak nesmírnou sílu? Problémem je, že její dosah je pouhá miliardtina miliontiny metru. Mohlo by se zdát, že síla s tak malým dosahem nemůže náš vesmír ve větší míře ovlivňovat, avšak pravdou je, že bychom bez silné interakce vůbec nemohli existovat.

Jak bylo již řečeno, po velkém třesku byl vesmír zaplaven elementárními částicemi. Ty se však následně začaly shlukovat ve složené částice – z kvarků začaly vznikat protony a neutrony. Co však způsobilo, že se kvarky začaly spojovat? Jak je možné, že měly kvarky ambice vytvořit složitější částice? Jak už asi tušíte, přitažlivost mezi jednotlivými kvarky zajišťovala silná interakce.

Zde ale silná interakce nekončí. Zasluhuje se ještě o jeden důležitý jev naší reality, a sice existenci atomů. Z předchozí kapitoly víme, že stejné elektrické náboje se odpuzují. To ale znamená, že protony v jádrech složitějších atomů by se měly vzájemně odpuzovat a rozutéct se všemi možnými směry. Silná interakce však zajišťuje, že protony zůstávají hezky při sobě. Kdyby byl elektromagnetismus jen o trochu silnější než silná interakce, atomová jádra by nikdy nemohla existovat.

A poslední ze souboru interakcí je slabá interakce, dost možná nejméně známá a nejméně zajímavá z celé čtyřky. To však neznamená, že není důležitá. Slabá interakce má moc proměnit neutronproton. Proč by to dělala? V některých atomech je totiž nestabilní poměr mezi počtem protonů a neutronů v jádře a slabá interakce se stará o to, aby byla tato nestabilita odstraněna. Když je v jádře nějakého atomu příliš mnoho neutronů, tato interakce jednoduše přemění jeden z nich na proton. Tomuto jevu se přezdívá beta rozpad.

Jak ale víme už z první kapitoly, počet protonů v jádře určuje, o jaký atom se jedná. To ale znamená, že pokud atom projde beta rozpadem, čímž v jeho nitru jeden proton přibude, změní se celý atom na úplně jiný prvek. Slabá interakce tedy bez obtíží dokáže například změnit uhlík v dusík nebo vodík v helium pouhou přeměnou neutronů v protony.

A to je k základním interakcím vše. Zajišťují správný chod našeho vesmíru a vůbec bychom bez nich nemohli existovat – snad s výjimkou slabé interakce, která jako jediná příliš neovlivňuje podobu kosmu. Nyní se již můžeme vrhnout na další fascinující prvek vesmíru – ohromné fúzní továrny vyrábějící miliardy fotonů každým okamžikem.

PŘEDCHOZÍ
DALŠÍ
  • Mikrosvět je miniaturní svět částic a atomů. Opakem mikrosvěta je makrosvět – všechno, co můžeme vnímat svými smysly.

  • Kvantové předměty (například subatomární částice) mohou být na více místech současně a dělat více věcí současně. Navíc se občas chovají spíše jako vlny než částice.

  • Na takovou teorii dnes máme hned několik kandidátů, například teorii superstrun nebo smyčkovou kvantovou gravitaci. Ani jedna z nich však není kompletní a mnohdy se tváří spíše jako hypotézy než teorie.

  • Tento fakt plyne z teorie relativity, která říká, že maximální rychlost čehokoliv v našem časoprostoru je 300 000 000 metrů za sekundu (což sice vypadá jako obří číslo, ale ve srovnání s rozlehlostí vesmíru je tak malé, že i samotnému světlu trvá celých 100 000 let dostat se z jednoho konce naší galaxie na druhý, nemluvě o cestách k dalším galaxiím, jak se přesvědčíme v jedné z příštích kapitol).

  • Světelný rok je, navzdory svému zavádějícímu názvu, jednotka vzdálenosti. Jeho hodnota je rovna vzdálenosti, kterou jakékoliv elektromagnetické záření (tedy i světlo) ve vakuu urazí za jeden rok – úctyhodných deset milionů milionů kilometrů.

  • Toto prvenství si odnáší zajímavý korýš jménem strašek paví. Oči tohoto tvora dokáží detekovat 12 různých vlnových délek světla (lidské oko dokáže detekovat tři – červenou, modrou a zelenou). A aby toho nebylo málo, kromě viditelného světla dokáží detekovat i světlo v podobě infračerveného a ultrafialového záření.

  • Molekuly totiž mají dva póly, na jednom převažuje kladný elektrický náboj, na druhém náboj záporný. Záporná strana jedné molekuly objektu přitahuje kladnou stranu druhé molekuly a vytvoří jakési slabé pouto.