Koncepce síly ve fyzice byla velmi úspěšná od Newtonových dob, kdy poprvé umožnila výpočet pohybu těles a předpověď jejich aktuální polohy. Vždy ale šlo jen o matematický předpis, podle kterého probíhal výpočet. Jakékoli pokusy o definici síly nebo o hlubší popis mechanizmu silového působení selhávaly. Obrat nastal až ve dvacátém století, které lidstvu dalo dvě zcela nové a revoluční teorie. Na jedné straně je obecná relativita , která namísto silového působení využívá pohyb v zakřiveném prostoročase a na druhé straně kvantová teorie pole, která popisuje silové působení jakožto výměnu polních (mezipůsobících, intermediálních, zprostředkujících) částic. Vynořil se ovšem problém zcela nový. Obecná relativita je úspěšnou teorií pro popis gravitačního působení a kvantová teorie je úspěšnou teorií pro popis ostatních tři interakcí – elektromagnetické, silné a slabé. Jednotný popis všech čtyř interakcí nemáme. Několik posledních desetiletí ve fyzice lze charakterizovat jako hledání finální teorie, jedné jediné teorie pro všechny čtyři interakce. Možná je na správné stopě teorie strun , možná bude řešení úplně jiné. Nicméně každý nalezený kamínek do celkové mozaiky poznání chování interakcí je nesmírně cenný. Na sklonku roku 2010 bylo oznámeno, že při extrémně vysokých energiích by měl podle teorie elektrický náboj slábnout. Pokud se teoretické předpoklady potvrdí, jsou důsledky tohoto tvrzení pro naše poznání světa mimořádně závažné.
V teorii strun jsou částice jednorozměrné útvary v mnoharozměrném světě. Levý horní obdélník symbolizuje stav současné fyziky. Tři interakce jsou propojeny kvantovou teorií: EM – elektromagnetická, S (Strong) – silná a W (Weak) slabá. Poněkud stranou stojí zatím gravitace označená symbolem G, která je popisována pomocí zakřiveného prostoročasu. Zdroj: Wordpress.
|
Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). Slabá interakce – interakce s konečným dosahem, přibližně 10–17 m. Působí na kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W− a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). Elektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED). Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita, podle které kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. |
Náboje interakcí
Odlišnost jednotlivých interakcí vyjadřujeme pomocí tzv. nábojů. Náboj elektromagnetické interakce asi každý zná. Jde o elektrický náboj, který je základní charakteristikou elementárních částic. Jen částice s nenulovým elektrickým nábojem se mohou přitahovat, anebo odpuzovat. Velikost náboje charakterizuje intenzitu elektromagnetické interakce mezi částicemi. U silné interakce hovoříme o tzv. barevném náboji. Nemá nic společného s opravdovou barvou, jen vyjadřuje odlišnost stejných kvarků vázaných ve stejném kvantovém stavu. Barva je volena tak, aby výsledné částice byly bezbarvé, tj. buď jsou vázány tři kvarky (červený, zelený, modrý), jejichž výsledná barva je bílá, nebo kvark s antikvarkem (barva a antibarva). Přípustné jsou i jiné bezbarvé kombinace. Barevný náboj určuje intenzitu silné interakce, která váže kvarky do tzv. mezonů nebo baryonů a pomocí které drží pohromadě atomové jádro. Nábojem poslední kvantové interakce, slabé, je tzv. vůně. Opět nejde o skutečnou vůni, ale o pouhé vyjádřené kvantové odlišnosti dvou částic, například vůně dvojice kvarků tzv. druhé generace může nabývat hodnoty podivný nebo půvabný – právě touto vlastností se od sebe tyto kvarky liší. Slabý náboj (vůně) určuje intenzitu slabé interakce. V gravitaci, která je ale popsána obecnou relativitou a nikoli kvantovou teorií, zastává funkci náboje hmotnost částice.
Tabulka elementárních částic. Číslicemi I, II a III jsou označeny tzv. generace částic.
Stínění a antistínění
Ve světě elementárních částic platí jedno pravidlo. Čím vyšší mají částice energii, tím blíže se mohou přiblížit k sobě. Hovoříme-li tedy o tom, jak vypadá ten či onen náboj částice z malé vzdálenosti, je to totéž, jako kdybychom sledovali chování onoho náboje částice při vysokých energiích, například v počátečních fázích Velkého třesku. Náboj elektronu (nebo jiné elektricky nabité částice) je stíněný. To znamená, že v okolí elektronu není prázdnota, ale vakuum plné různých fluktuací elektromagnetických polí, které se projevují občasným vznikem elektrono-pozitronového páru, který po chvíli zase zmizí. Jako by se na krátký okamžik vynořil z vakua a poté zase zanikl. Takové páry nazýváme virtuální páry. Tyto virtuální částice sice nemůžeme nikdy spatřit, ale jejich projevy lze sledovat. Patří k nim například schopnost polarizace vakua (obdobně jako může být polarizováno dielektrikum). Jiným projevem virtuálních párů je stínění elektrického náboje. Budeme-li se přibližovat k elektronu, jeho náboj poroste. Náboj, který měříme na velkých vzdálenostech (při nízkých energiích) tedy není skutečnou konstantou. Se zvyšováním energie (se snižováním vzdálenosti) elektrický náboj elektronu roste.
Zcela opačně se chová silná interakce – barevný náboj kvarků je antistíněn. Je to způsobeno tím, že barevný náboj nenesou jen kvarky , ale i gluony , polní částice zprostředkující silnou interakci (naopak u elektromagnetické interakce nemá polní částice – foton – elektrický náboj). Při vysokých energiích barevný náboj silné interakce slábne a pokud se kvarky k sobě dostanou na vzdálenosti menší než 10−15 m, začnou se chovat jako volné částice, hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Za teoretický popis chování kvarků při vysokých energiích získali v roce 2004 Nobelovu cenu za fyziku Frank Wilczek, David Gross a David Politzer. V roce 2000 bylo ve středisku jaderného výzkumu CERN připraveno kvarkovo-gluonové plazma. Při srážce dvou jader olova se uvolnila taková energie, že se kvarky a gluony na malý okamžik začaly chovat jako volné částice. Takové podmínky panovaly ve vesmíru, když byl mladší než 10 mikrosekund.
Z podrobné analýzy experimentů i stávajících teorií se zdá, že vazebné konstanty interakcí (jsou úměrné jejich nábojům) by se měly setkat přibližně při energii 1016 GeV . To je energie tzv. Velkého sjednocení, nad kterou se všechny tři kvantové interakce chovají jako jedna jediná interakce. Takové podmínky panovaly ve Vesmíru, dokud byl mladší než přibližně 10−39 s, kdy měly částice energii 1016 GeV a teplota vesmíru byla 1029 K. Na našich urychlovačích se takovému stavu látky bohužel nedokážeme ani přiblížit.
Vazební konstanty jednotlivých interakcí se při vysokých energiích přibližují.
Ke sjednocení by mělo dojít někde kolem energie 1016 GeV.
Poslední názory na změny velikosti elektrického náboje
Při pohledu na graf vazebních konstant vyvstávají okamžitě dvě otázky: Setkají se všechny tři konstanty při jedné jediné energii? A co se bude dít při vyšších energiích? Pokud by elektrický náboj dále rostl, znamená to, že v počátečních fázích Velkého třesku měly částice enormní elektrický náboj? Snad nekonečný? To by ale vedlo k mnoha problémům. Již v roce 2006 publikovali Sean Robinson a Frank Wilczek možné řešení. Pokud se do výpočtů zahrne kvantová gravitace, pak při extrémně vysokých energiích (nad 1018 GeV) začnou náboje všech tří interakcí prudce klesat, a proto budou mít v nejrannějších fázích vesmíru všechny tři kvantové interakce velmi malé vazební konstanty. Předložené výpočty byly mnoha vědci kritizovány a byly v nich nalezeny zásadní chyby. Na sklonku roku 2010 byly publikovány dva nové články na obdobné téma. První (Nature, 4. 11. 2010) shrnuje výpočty Davida Tomse z Univerzity v Newcastlu a druhý (ArXiv, 12. 8. 2010) výpočty čínsko-japonské skupiny vědců (Hong-Jian He, Xu-Feng Wang, Zhong-Zhi Xianyu). V obou článcích je opět prováděn výpočet závislosti vazebních konstant na energii. V úvahu je brán vliv kvantové gravitace. Oba články prokazují, že základní myšlenka Robinsona a Wilczeka byla správná a korektní výpočty skutečně vedou na prudký pokles vazebních konstant nad Planckovou energií . Pokud se ukáže, že výpočty jsou skutečně správné a že tyto modely odpovídají realitě, bude to znamenat výrazný posun v řešení mozaiky jednotné teorie všech čtyř interakcí.
Výsledky výpočtů čínsko-japonské skupiny. Nad Planckovou energií hodnoty všech tří vazebních konstant prudce klesají. Stínění elektrického náboje (jeho růst s energií) se změní v antistínění. Za to je zodpovědná celá řada exotických Feynmanových diagramů, které nejsou běžné v nízkoenergetické limitě. Na horním obrázku je výpočet v rámci standardního modelu (SM). Pokud se to výpočtu zahrne i supersymetrie (MSMM – Minimální supersymetrický model, dolní graf), protnou se dokonce všechny tři průběhy vazebních konstant v jediném bodě. Zdroj: [2].
Exotické Feynmanovy diagramy, které se uplatňují při vysokých energiích. Vlnovkou jsou značeny fotony, dvojitou vlnovkou gravitony, plnou čarou skalární pole, čárkovaně fluktuace skalárního pole, kolečky pole gravitonových duchů a tečkovaně pole fotonových duchů (pole duchů se do teorie přidávají proto, aby platily určité symetrie, nejde však pravděpodobně o reálná fyzikální pole). Zdroj [2].
Zdroje:
- David J. Toms: Quantum gravitational contributions to quantum electrodynamics; Nature 468, 56-59 (Nov 4, 2010), ke stažení arXiv:1010.0793v1 [hep-th]
- Hong-Jian He, Xu-Feng Wang, Zhong-Zhi Xianyu: Gauge-Invariant Quantum Gravity Corrections to Gauge Couplings via Vilkovisky-DeWitt Method and Gravity Assisted Gauge Unification; arXiv:1008.1839v2 [hep-th] Aug 12, 2010
- Anil Ananthaswamy: Why the early universe was free of charge; New Scientist 2785, Nov 4, 2010
- Hamish Johnston: Quantum gravity corrects QED; Physics World, Nov 3, 2010
- Sean P. Robinson, Frank Wilczek: Gravitational Correction to Running of Gauge Couplings; Phys. Rev. Lett. 96, 231601 (2006), ke stažení arXiv:hep-th/0509050v2 Jun 9, 2006
