Posted By: Petrik (Petrik) on 'CZscience'
Title: Vesmir v nejlepsim mikroskopu: co vime o hmote
Date: Thu Oct 28 04:32:03 1999
Bestseller B.Greena, Elegantni vesmir, uryvek
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Stari Rekove vytusili, ze hmota vesmiru je tvorena z drobnych
"nedelitelnych" castecek, ktere nazvali -atomy-. Stejne jako lze velke
mnozstvi slov v abecednim jazyce sestrojit jako kombinace maleho mnozstvi
pismen, v Recku spravne uhodli, ze siroka rada hmotnych objektu by take
mohla byt vysledkem skladani maleho mnozstvi rozdilnych elementarnich
stavebnich kamenu. V tomto tipu projevili velkou predvidavost. O vice nez
2000 let pozdeji stale verime, ze meli pravdu, ackoliv totoznost
nejzakladnejsich stavebnich jednotek doznala za tu dobu mnoha zmen a
revizi. V 19.stoleti vedci ukazali, ze mnoho znamych latek jako kyslik
nebo uhlik ma nejmensi a dale nedelitelne jednotky; podle tradice zalozene
Reky, nazvali je -atomy-. Jmeno se udrzelo, ale historie ukazala, ze slo o
chybne pojmenovani, jelikoz atomy nesporne "delitelne" jsou. Do zacatku
30.let ustavily kolektivni prace J.J.Thomsona, Ernesta Rutherforda, Nielse
Bohra a Jamese Chadwicka model atomu podobneho slunecni soustave, s nimz
je vetsina z nas obeznamena. Atomy maji daleko k zakladnim stavebnim
jednotkam, skladaji se z jadra, obsahujiciho neutrony a protony, ktere je
obklopeno rojem obihajicich elektronu.
Na okamzik povazovali fyzici protony, neutrony a elektrony za "atomy"
starych Reku. Ovsem v roce 1968 experimentatori na Stanfordskem linearnim
urychlovaci (SLAC) vyuzili vzrustajici kapacity techniky ke zkoumani
mikroskopickych hlubin hmoty a ukazali, ze ani protony a neutrony nejsou
elementarni. Misto toho zjistili, ze kazdy z nich se sklada ze tri mensich
castic, zvanych -kvarky- - tohle vrtosive oznaceni prejal teoreticky fyzik
Murray Gell-Mann, ktery jiz drive predpovedel jejich existenci, z pasaze
knihy Jamese Joyce -Finnegan's Wake-. Experimentatori potvrdili, ze kvarky
samotne nalezi do dvou skupin, ktere s mnohem mensi tvorivosti pojmenovali
up a down, nahoru a dolu. Proton obsahuje dva up-kvarky a jeden
down-kvark; neutron jeden up-kvark a dva down-kvarky.
Vsechno, co muzete spatrit v svete pozemskem i na nebesich, se zda byt
kombinaci elektronu, up-kvarku a down-kvarku. Neni zadny experimentalni
dukaz pro nazor, ze kterakoliv z techto tri castic se sklada z neceho
mensiho. Zato velke mnozstvi pozorovani ukazuje, ze vesmir samotny
obsahuje dalsi druhy castic. V polovine 50.let nasli Frederick Reines a
Clyde Cowan nezvratne dukazy existence ctvrte elementarni castice, nazvane
-neutrino- a predpovezene jiz na zacatku 30.let Wolfgangem Paulim. Ukazalo
se, ze neutrina se velmi tezko hledaji, jelikoz prochazeji jinou hmotou
temer jako duchove a jen zridkakdy s ni interaguji: neutrino s prumernou
energii lehce projde biliony kilometru tlustou olovenou zdi bez nejmensiho
vlivu na jeho pohyb. Po teto zprave bychom si meli oddychnout, jelikoz pri
cteni teto vety neskodne proletavaji miliardy neutrin vychrlenych Sluncem
vasim telem i zemekouli na sve samotarske ceste vesmirem. Na konci 30.let
objevili fyzici studujici kosmicke zareni (sprsky castic bombardujici Zemi
z okolniho prostoru) dalsi castici zvanou -mion-, ktera ma temer stejne
vlastnosti jako elektron krome toho, ze je asi 207-krat tezsi. Ponevadz v
tehdy znamem radu kosmu nebylo nic, zadna nevyresena zahada ani koutek
pripraveny krejcim, ktere by pozadovaly existenci mionu, laureat Nobelovy
ceny a casticovy fyzik Isidor Isaac Rabi pozdravil objev mionu s mene nez
nadsenym "Tedy kdo si tohle objednal?". Nicmene, bylo to venku. A cekalo
nas vice podobnych objevu.
S jeste silnejsi technikou fyzici pokracovali v ztloukani kousku hmoty o
stale vetsi energii a na okamzik tak obnovovali podminky od velkeho tresku
nevidane. V troskach hledali nove fundamentalni ingredience, aby je
pridali do tloustnouciho seznamu elementarnich castic. Co nasli? Ctyri
nove kvarky -charm, strange, bottom a top-, cesky puvab, podivnost, spodek
a svrsek, jakoz i dalsiho jeste tezsiho bratricka elektronu, zvaneho
-tauon-, a dva sourozence neutrina (pojmenovane -mionove neutrino- a
-tauonove neutrino-, abychom je rozlisili od puvodniho neutrina, nyni
zvaneho -elektronove neutrino-). Tyto castice se produkuji pri
vysokoenergetickych srazkach a jejich zivot je pomijivy; nejsou soucasti
niceho, s cim se typicky setkavame. Stale nejsme na konci pribehu. Kazda z
castic ma partnera zvaneho -anticastice-, castici s totoznou hmotnosti,
ale s opacnou velikosti ruznych velicin, takzvanych naboju vuci ruznym
silam (o nichz pujde rec nize), nejdulezitejsim prikladem jichz je
elektricky naboj. Tak napriklad anticastici elektronu je -pozitron-, ktery
ma presne stejnou hmotnost jako elektron, ale elektricky naboj +1 ho
odlisuje od elektronu s nabojem -1. Pokud prijdou do styku, hmota s
antihmotou -anihiluji-, navzajem se znici a premeni na cistou energii -
proto je velmi malo antihmoty ve svete kolem nas.
Fyzici vypozorovali pravidelnost mezi temito casticemi, zachycenou v
tabulce 1.1. Castice hmoty tvori tri skupiny, ktere se nekdy nazyvaji
-rodiny- a jindy -generace- (pokoleni). Kazda generace obsahuje dva
kvarky, elektron nebo nejakeho jeho bratricka a jeden druh neutrina.
Odpovidajici druhy castic maji totozne vlastnosti napric generacemi krome
hmotnosti, ktera roste od generace ke generaci. Vysledkem je, ze fyzici
maji prozkoumanou strukturu hmoty az na meritka radu miliardtin
miliardtiny metru a vedi, ze -vsechno- do dnesniho dne pozorovane, at uz
to existuje prirozene, nebo to bylo vyrobeno na gigantickych drticich
atomu - se sklada z nejake kombinace castic z techto tri generaci a z
jejich anticastic.
Letmy pohled na tabulku 1.1 ve vas jiste zanecha jeste silnejsi smysl pro
Rabiho rozcarovani z objevu mionu. Usporadani do rodin nam sice dava
urcite zdani radu, ale vnucuje se rada otazek "proc". Proc je tolik
elementarnich castic, zvlaste kdyz se zda, ze na velkou vetsinu veci kolem
nas bychom vystacili s elektrony, up-kvarky a down-kvarky? Proc jsou tri
rodiny a ne treba jedna, ctyri nebo jiny pocet? Proc jsou hmotnosti castic
napohled tak nahodne rozesety? Proc je treba tauon asi 3 520-krat tezsi
nez elektron? Proc vazi top-kvark asi 40 200-krat vice nez up-kvark? Jsou
to podivna, velka a jakoby nahodna cisla. Objevila se nahodou, zvolil je
tak Buh, nebo existuje srozumitelne vedecke vysvetleni techto
fundamentalnich vlastnosti naseho vesmiru?
===========================================================================
1.generace 2.generace 3.generace
castice hmotnost castice hmotnost castice hmotnost
elektron 0.00054 mion 1.1 tauon 1.9
elektronove <10^{-8} mionove <0.0003 tauonove <0.033
neutrino neutrino neutrino
up-kvark 0.0047 puvabny kvark 1.6 top-kvark 189
down-kvark 0.0074 podivny kvark 0.16 bottom-kvark 5.2
===============================================================
Tabulka 1.1. Tri generace fundamentalnich castic a jejich hmotnosti v
jednotkach hmotnosti protonu. Hmoty neutrin zatim unikaji mereni.