Hľadáme novú, neznámu fyziku

Čítať neskôr
Pre uloženie článku sa prihláste alebo sa ZDARMA registrujte.
Hľadáme novú, neznámu fyziku

Foto – Fero Múčka

„Ak si vezmeme, koľko z toho, čo je vo vesmíre, dnes poznáme, tak sme asi na úrovni piatich percent. Väčšinu ešte len musíme objaviť,“ hovorí fyzik Ivan Melo, ktorý zastupuje Slovensko v organizácii CERNu.

V lete 2012 ohlásili fyzici objav poslednej predpokladanej elementárnej častice, takzvaného Higgsovho bozónu. Hoci jeho existenciu teoreticky predpokladali už polstoročie, až vtedy sa podarilo preukázať ju experimentálne. Stalo sa tak na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) vo švajčiarskom CERNe. S časticovým fyzikom Ivanom Melom, jedným zo Slovákov, ktorí pôsobia v štruktúrach CERNu, sme sa rozprávali o tom, kam tento objav posunul fyziku. Ale aj o tom, prečo si vedci myslia, že existuje aj úplne iná fyzika, ako zatiaľ poznáme.

Koľko toho vlastne vieme o vesmíre?

Ak si vezmeme, koľko z toho, čo je vo vesmíre, dnes poznáme, tak sme asi na úrovni piatich percent, čo sa týka priemernej hustoty hmoty a energie vo vesmíre. Táto známa časť sú v podstate atómy. Naisto ešte vieme o existencii niečoho, čo voláme tmavá hmota. Tú poznáme z astronomických pozorovaní jej gravitačných účinkov. Vieme, že sa nespráva tak ako tých päť percent, ktoré poznáme. Ale čo to vlastne je, to nevieme.

Akú časť vesmíru tvorí tmavá hmota?

O niečo viac ako dvadsať percent jeho hustoty. Jedna z ambícií urýchľovača LHC je v kontrolovaných podmienkach vytvoriť túto tmavú hmotu. Podobne ako dnes LHC dokáže vytvoriť všetky známe častice hmoty a antihmoty.

Čo je antihmota?

Antičastica má rovnakú hmotnosť, ale opačný náboj ako častica hmoty. To, čo je okolo nás, je hmota. Z teórie nám vychádza, že pri vzniku vesmíru mala byť rovnako zastúpená hmota a antihmota. No zdá sa, že nejaký zvláštny, zatiaľ neznámy mechanizmus spôsobil, že hmoty bolo o niečo málo viac ako antihmoty, približne desať miliárd a jedna častica hmoty k desiatim miliardám častíc antihmoty. A keď hmota a antihmota spolu po Big Bangu anihilovali jedna k jednej, ten maličký zvyšok, čo zostal navyše z hmoty, je hmotný vesmír okolo nás.

Antihmotu poznáme dobre?

Antihmotu dnes vieme v CERNe vyrobiť a študovať pomerne rutinne. Na urýchľovači tiež vieme simulovať správanie častíc, ako keby sme boli v čase jednu mikrosekundu po Big Bangu, keď mal vesmír charakter kvarkovo-gluónovej plazmy. Toto nám na LHC funguje skvele.

Jeden zo štyroch experimentov vo Veľkom časticovom urýchľovači v CERNe. Foto Foto – x70tjw/Flickr.com

Takže päť percent vesmíru už poznáme, ďalej vieme, že približne 20 percent vesmíru tvorí tmavá hmota, a čo tie zvyšné tri štvrtiny?

To je niečo, čo sa nespráva ani ako tmavá hmota, ani ako tých päť percent, ktoré poznáme ako našu fyziku. Nazývame to tmavá energia.

Čo o nej vieme?

Veľmi málo. Súvisí to s pozorovaním, ktoré máme, podľa ktorého sa expanzia vesmíru zrýchľuje. Je to novinka zo začiatku tisícročia a je to úplná revolúcia.

Ako to súvisí a prečo je to revolúcia?

Pretože dovtedy prevažoval názor, že expanzia vesmíru sa po Big Bangu spomaľuje. No už skoro dvadsať rokov vieme, že je to naopak, že vesmír sa rozpína stále rýchlejšie. A to, čo spôsobuje toto rozpínanie, nazývame tmavá energia. Má to opačné gravitačné účinky ako hmota. Kým hmota priťahuje inú hmotu, tmavá energia má odpudivé účinky. Preto sa expanzia vesmíru zrýchľuje.

Čo by sa podľa tejto teórie malo v budúcnosti stať s vesmírom?

Podľa tohto by sa mal vesmír rozpínať stále rýchlejšie, až napokon vychladne, všetko vyhasne. Ale to je len predpoklad, ešte môžeme natrafiť na nové zistenia, ktoré skorigujú aj tento najnovší názor. Teoreticky je možné aj to, že rozpínanie bude pokračovať tak dramaticky, že vo veľmi vzdialenej budúcnosti roztrhá galaxie, planéty i všetky atómy, nastane takzvaný Big Rip.

V roku 2012 sa na urýchľovači v CERNe potvrdila existencia Higgsovho bozónu. Čo to znamenalo pre vedu?

Bola to veľká vec, hoci mnohí dúfali, že sa nám podarí rýchlejšie nájsť aj ďalšie veci, napríklad častice tmavej hmoty.

Potvrdenie existencie Higgsovho bozónu je mimoriadny úspech LHC a ukážkou, že tieto experimenty fungujú skvelo. Dnes si vďaka tomu vedci užívajú analýzu množstva vzácnych dát. Ide o to, že v takzvanom štandardnom modeli kvantovej fyziky máme sedemnásť elementárnych častíc, Higgsov bozón bola posledná experimentálne dokázaná z nich. Polstoročie sme s ním teoreticky rátali, teraz sa konečne potvrdila jeho existencia. No jeho objavenie prinieslo aj jednu novú veľkú záhadu. Ten Higgsov bozón, ako sme ho našli, bol objavený v najjednoduchšej verzii, aká bola predpokladaná. Pričom to mohlo byť komplikovanejšie. A to je teraz záhada číslo jeden.

Prečo je to záhada?

Pretože taký Higgsov bozón, ako sme ho objavili, má hmotnosť, ktorá by podľa teórie mala byť oveľa, oveľa vyššia.

Ako sa to dá vysvetliť?

Vysvetlenie je také, že okrem našej známej fyziky, štandardného modelu, existuje aj iná fyzika, vedci ju nazývajú nová fyzika. Tá vysvetlí veci, ktoré naša fyzika nezvládne. Toto asi najviac štve fyzikov, že zatiaľ nemáme odpoveď, len predpoklad, že je nejaká iná fyzika, ktorú by sme chceli spoznať.

Čo je to za fyziku – tá nová fyzika?

Je to fyzika, ktorá sa zatiaľ neobjavila ani v experimentoch a možno ani v modeloch. Nové častice, nové princípy, nový svet. Ten starý sa tým nebude negovať, ten je už potvrdený. Ale vieme, že nám ešte niečo chýba. Že je to doplnenie.

Čo je príkladom novej fyziky?

Najslávnejšia teória, ktorá by vysvetlila spomínanú záhadu Higgsovej hmotnosti, sú supersymetrie. Tá predpokladá, že ku každej známej častici existuje supersymetrický partner, ktorý do celkovej bilancie hmotnosti Higgsa dá svoj vlastný príspevok, ktorý sa odpočíta od príspevku známych častíc. Výsledkom bude prirodzená zhoda teórie s experimentom, ktorú teraz nemáme. Problém je, že sme zatiaľ žiadne supersymetrické častice v LHC nepozorovali, hoci sa to čakalo. Z toho sú teraz niektorí vedci smutní, keďže týmto teóriám venovali aj desať či dvadsať rokov svojho života.

Na druhej strane, experimentátori sú nadšení, majú Higgsov bozón, ktorý treba dôkladne preskúmať, čo môže trvať desať-pätnásť rokov. A ak sa v jeho správaní objaví odchýlka oproti štandardnému modelu, tak to tiež bude známka novej fyziky, to by bolo okno do nového sveta.

Ráta sa s tým, že v novej fyzike môžu byť desiatky, prípadne stovky nových elementárnych častíc, ktoré nepoznáme. Zdieľať

Ako by mala vyzerať tá odchýlka, aby sa to dalo považovať za potvrdenie novej fyziky?

Napríklad Higgsov bozón sa môže rozpadávať s rôznymi pravdepodobnosťami mnohými kanálmi, ktoré sú známe. No keby sme v praxi namerali, že tie pravdepodobnosti sú iné, ako predpokladá štandardný model, už to znamená, že v tom celom pôsobí aj niečo iné, nejaká nová fyzika.

Je táto nová fyzika len predpoklad alebo sa to berie ako fakt?

Berie sa ako fakt, že nejaká byť musí. Ide o to, aká presne. Ráta sa s tým, že v novej fyzike môžu byť desiatky, prípadne stovky nových elementárnych častíc, ktoré nepoznáme. Akurát nám doterajšie experimenty nepreukázali, kde sú, čo nás trochu trápi, pretože sme verili, že sa to môže podariť. To bol jeden z dôvodov výstavby LHC.

Veľa vecí na LHC pritom funguje lepšie, než sa predpokladalo, chrlí kvantá dát pri bezprecedentnej energii, vedecká komunita však, samozrejme, veľa hovorí o tom, ako preukázať novú fyziku. Niektorí teoretici aj pripúšťajú, že sú z toho frustrovaní. Napríklad Sabine Hossenfelderová napísala zaujímavú knižku Stratení v matematike. O tom, ako nás hľadanie krásy a estetickosti v teóriách zaviedlo do slepej ulice. Že sa príliš sústreďujeme na eleganciu riešení a to nás brzdí.

Čo si o tom myslíte vy?

Neviem, či v porovnaní s hviezdnymi fyzikmi je môj názor relevantný. No súkromne sa skôr pripájam k fyzikom, ktorí hovoria, že tie estetické argumenty majú svoje opodstatnenie. Nima Arkani-Hamed, asi najvplyvnejší americký fyzik, hovorí, že nesúhlasí s kolegami, ktorí sú sklamaní, že sme zatiaľ nenašli novú fyziku.

Podľa neho toto obdobie hľadania je zaujímavejšie, pretože záhady sú naozaj väčšie, ako sme si mysleli. Stojíme pred tými najťažšími otázkami, aké sme si kedy položili. Hovoríme totiž o tom, čo je priestor, čas, aký je osud vesmíru, kladieme si tieto elementárne otázky.

Doc. Ivan Melo, RNDr., PhD., je teoretický fyzik, vyštudoval nukleárnu fyziku na Univerzite Komenského v Bratislave, postgraduálne štúdium absolvoval na Carleton University in Ottawa v Kanade. Dnes zastupuje Slovenskú republiku v komunikačnej organizácii CERN-u EPPCN (European Particle Physics Communication Network), pôsobí na Katedre fyziky Žilinskej univerzity v Žiline.

Čiže fyzici to berú tak, že dnes máme záhad viac ako pred polstoročím?

Ja som sa na fyziku dal preto, že sa mi páčila, a zdalo sa mi prirodzené, že ak existuje možnosť, ako sa jej venovať naplno, tak to chcem robiť. Dnes ma fascinuje predpoklad, že to všetko postupne smeruje k jednému popisu, finálnej teórii, kde by sme dokázali vysvetliť všetko, čo sa týka fundamentálnej fyziky. Že finálna teória bude mať možno jeden neznámy parameter a z neho a z nejakého hlbokého princípu by všetko vyplynulo. Myslím, že fyzika kráča týmto smerom. Že tam na začiatku bola jedna dokonalá vec a k tej nás vedie práve krása tej matematiky, ktorú odhaľujeme.

Keď sa stretávate s vedcami v CERNe, púšťajú sa fyzici aj do metafyzických debát?

Niektorí áno, iní nie. Naša generácia bola vychovávaná vedecky pragmaticky. Išlo o to, aby sme zvládli príslušnú matematiku a čo najefektívnejšie zistili, či sa svet správa podľa našich teórií, resp. aby sme popísali nové teórie. Ale mnohí si uvedomujú, že naša práca má aj takýto presah a vplyv. V CERNe nájdete ľudí, ktorí v súvislosti s fyzikou radi debatujú o tom, ako vnímať svet a naše miesto v ňom. A keďže sú to špičkoví vedci, aj tu majú zmysel pre veľkú poctivosť, trpezlivosť a úctu k pravde, preto je fascinujúce s nimi debatovať. Pretože to je niečo, čo sa vytráca z dnešného sveta.

Foto – Fero Múčka

Keď už sme pri metafyzike, ako sú dnes svetonázorovo rozdelení časticoví fyzici?

Tí, ktorí hovoria o nejakej jednotnej dokonalej nemennej konečnej kráse, ktorá je za všetkým, sú známi ako platonisti a nie je ich málo. K tomuto sa klonili klasickí fyzici. Samozrejme, toto nemá povahu dôkazu, je to len vnímanie. Iní sa zasa nad tým takto nezamýšľajú, zaujíma ich to, čo sa dá nejakým spôsobom preukázať.

Posunula sa teória v tom, čo sa dialo pred Big Bangom?

Nič zásadnejšie o tom nevieme, to je stena, za ktorú sa nevieme dostať. Čím bližšie ideme k začiatku, tým vyššie energie tam boli, oveľa vyššie ako to, čo vieme dosiahnuť na urýchľovačoch, a teda nevieme preštudovať, čo sa tam dialo. Tam sa môže skrývať práve tá fyzika, ktorú nepoznáme.

Vy ste aj pedagóg, mnohí vyučujúci prírodných vied hovoria o regrese. Máte tiež ten pocit?

Môžem vychádzať len zo svojich skúseností. A zdá sa, že študenti naozaj vedia menej, ako vedeli tí pred dvadsiatimi rokmi. No to by ešte nebol taký problém. Problém je, že nemajú návyky uvažovať spôsobom ako ľudia, ktorých zaujíma podstata vecí. Ale som opatrný v tom, čo je príčina. Možno je to len tým, že máme tridsaťtisíc študentov v zahraničí, to je číslo, ktoré by zaplnilo tri naše univerzity, a dá sa predpokladať, že to budú veľmi šikovní ľudia.

Vychádzam aj z toho, že keď robíme popularizačné akcie pre stredoškolákov, tak tam talenty vidno, ale na naše vysoké školy už neprídu.

Ale vnímam aj to, že hľadanie pravdy v prírodných vedách je pomalé, často bolestné, vyžaduje trpezlivosť a táto doba tomu nepraje. Chceme efekt rýchlo, urobiť veľa v krátkom čase a to sa v istom momente dostane do sporu s tým, aby sme brali veci poctivo. Tento tlak cítim aj na sebe, mám z toho trochu obavy.

 

Čítať neskôr
Pre uloženie článku sa prihláste alebo sa ZDARMA registrujte.
Čítať neskôr
Pre uloženie článku sa prihláste alebo sa ZDARMA registrujte.

Pozrieť diskusiu

Fungujeme vďaka finančnej podpore našich čitateľov a pravidelných podporovateľov. Ďakujeme.

Podporte nás aj vy, aby sme vám mohli priniesť ďalšie kvalitné články.

Podporiť pravidelnou sumou Podporiť jednorazovo