Popis mechanismu, který umožnil vznik vesmíru, přinesl japonským vědcům Nobelovu cenu za fyziku.
Představte si, že z divadla po skončení představení odcházejí diváci. A většina se rozhodne jít doleva, i když k tomu nemají žádný zjevný důvod. Tak v praxi vypadá narušení symetrie. Něco podobného se děje i ve světě elementárních částic. Tři vědci japonského původu, kteří se tímto jevem zabývali, získali letošní Nobelovu cenu za fyziku. Tošihide Maskawa z Kjótské univerzity a Makoto Kobajaši z urychlovačového centra v Tsukubě se dělí o polovinu ceny za svůj příspěvek k objasnění narušení symetrie ve světě základních částic hmoty.
Nebýt tohoto jevu, nebyli bychom tu dnes ani my. Krátce po velkém třesku totiž bylo ve vesmíru stejně částic i antičástic. Kdyby tomu tak bylo i nadále, hmota a antihmota by se navzájem anihilovaly a zůstalo by jen záření. Jenže v počtu částic a antičástic došlo k narušení symetrie: na každých deset miliard vyrušených dvojic připadla jedna částice hmoty, která svůj protějšek v antisvětě nenašla. Z těchto přebytečných solitérů se později vytvořily galaxie, hvězdy i planety.
Myšlenka narušené symetrie začala hýbat světem fyziky ve druhé polovině minulého století. „Do té doby byli lidé zvyklí, že jsou fyzikální zákony pravo-levě symetrické. Pak se ale ukázalo, že tomu tak není,“ říká profesor Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu AV ČR. Dva Američané čínského původu, Tsung Dao Lee a Chen Ning Yang, v roce 1956 předpověděli, že elektrony vznikající při rozpadu jádra kobaltu budou dávat jednomu směru přednost před směrem opačným - podobně jako diváci v úvodu. To se krátce na to podařilo experimentálně potvrdit.
Zjištěná pravo-levá asymetrie fyzikálních zákonů byla pro vědecký svět takovým šokem, že si její objevitelé jeli už po roce pro Nobelovu cenu. Obvykle se přitom na toto prestižní ocenění čeká mnohem déle, než se nový poznatek dostatečně prověří - často i desítky let. V roce 1964 se dosavadní jistoty přírodních věd otřásly podruhé: Američané James Cronin a Val Fitch zjistili, že některé částice dokážou narušovat nejen pravo-levou symetrii, ale ale dokonce i symetrii označovanou CP, při níž se současně mění vpravo na vlevo a částice na antičástici. Autoři tohoto objevu dostali Nobelovu cenu v roce 1980.
„Z jejich poznatku vyšel v roce 1967 sovětský disident Andrej Sacharov. Ten jako první pochopil, že narušení symetrie CP je klíčovým jevem k pochopení toho, proč po velkém třesku zbyla jen hmota a žádná antihmota,“ podotýká Jiří Chýla.
Nové rodiny částic Jaký je tedy příspěvek letošních nobelistů? Podařilo se jim zapracovat narušení symetrie do standardního modelu hmoty, který popisuje všechny dosud známé elementární částice a tři ze čtyř sil, jež mezi nimi panují (sílu silnou, slabou a elektromagnetickou; zbývající gravitaci se zatím zabudovat nedaří).
Kobajaši s Maskawou předpověděli řadu nových částic, o které musel být standardní model doplněn, aby mohl nadále platit. „Ukázali, že k teoretickému popisu narušení symetrie CP nestačí v té době známé tři druhy kvarků, ale že jich musí být šest, rozdělených do tří dvojic či rodin,“ vysvětluje Jiří Chýla.
Pokračování na straně 26
Dokončení ze strany 25
Všechny nově navržené částice se později skutečně podařilo objevit.
V zápětí po vyhlášení letošních Nobelových cen se začaly z Itálie ozývat protesty. Několik tamních expertů v čele se Sergiem Bertoluccim, který bude od příštího roku zastávat funkci ředitele výzkumu Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN), nesouhlasí s tím, že cenu nezískal také jejich krajan Nicola Cabibbo. Udělení ceny Maskawovi a Kobajašimu prohlásili v italském tisku za „nevysvětlitelné rozhodnutí“, protože tito vědci údajně jen rozvinuli Cabibbovy myšlenky.
Profesor Jiří Chýla s tímto názorem zásadně nesouhlasí: „Dotyční vědci nejsou ochotni připustit, že to, co udělali Kobajaši a Maskawa, bylo něco podstatně důležitějšího, než že jen zobecnili určité schéma, které skutečně pochází od Nicoly Cabibba. Tím, za co je Nobelův výbor ocenil, se Cabibbo vůbec nezabýval,“ tvrdí profesor Chýla.
Kulička v klobouku Druhou polovinu ceny získal Američan japonského původu Yoichiro Nambu, působící ve Fermiho ústavu univerzity v Chicagu. Nobelův výbor ocenil jeho objev mechanismu spontánního narušení symetrie v subatomární fyzice. „Tento mechanismus hraje v dnešním standardním modelu klíčovou roli pro pochopení, proč mají elektromagnetické a slabé síly tak dramaticky odlišné vlastnosti: elektromagnetické síly mají nekonečný dosah, zatímco slabé působí jen na vzdálenosti menší, než je femtometr, tedy miliontina miliardtiny metru,“ vysvětluje Jiří Chýla.
Podstatu pojmu „spontánní narušení symetrie“ přibližuje český expert v jednoduché analogii: představme si dokonale kruhově symetrický mexický klobouk s hlubokým kruhovým dnem. Na jednom místě dna položíme kuličku a cvrnkneme do ní. Předpokládejme dále, že gravitační pole je v rovině klobouku všude stejné a zanedbejme tření.
Kulička bude po cvrnknutí obíhat po kruhové dráze kousek ode dna klobouku. Čím silněji do ní cvrnkneme, tím větší rychlost (a tedy také energii) bude mít a tím dále od středu klobouku bude obíhat.
Protože pohybové zákony, jimiž se kulička řídí, jsou rotačně symetrické, bude její pohyb při libovolné rychlosti také symetrický. V každém místě na obvodu klobouku bude kulička stejně často, žádné místo nebude preferovat. Stav systému klobouk-kulička bude za těchto okolností kruhově symetrický.
Situace se ovšem dramaticky změní, když pohyb zastavíme. Protože kulička může být v klidu, tedy ve stavu s nejnižší energií, kdekoliv na dně klobouku, ale vždy jen na jediném místě, bude výsledný stav nesymetrický. A právě skutečnost, že systém ve stavu s nejnižší energií nevykazuje symetrii, kterou mají zákony, jimiž se řídí, se nazývá „spontánní narušení symetrie“.
Skromný vizionář Na uvedeném příkladu není nic překvapujícího. Nambu ovšem provedl podobnou úvahu v rámci kvantové teorie pole. V první řadě je zapotřebí pochopit samotné vlastnosti základního stavu pole (elektromagnetického či jiného) s nejnižší energií, kterému říkáme vakuum. Na rozdíl od vakua klasické fyziky totiž kvantové vakuum není prázdné. „Existují v něm kvantové fluktuace, často nazývané virtuální částice,“ vysvětluje Jiří Chýla.
Předpoklad, že toto kvantové vakuum nevykazuje symetrii, kterou mají pohybové rovnice pole, byl revoluční. Poprvé ho vyslovil právě Nambu a aplikoval ho na konkrétní model.
Spontánní narušení symetrie hraje při popisu sil v mikrosvětě klíčovou roli. „V jedné své aplikaci vedlo i k mechanismu, jak některé částice mikrosvěta nabývají klidovou hmotnost. Projevem tohoto jevu by měla být existence částice nazývané Higgsův boson, po níž fyzikové dlouhou dobu usilovně pátrají,“ upozorňuje profesor Chýla. Její nalezení je také jedním z hlavních cílů experimentů na novém urychlovači LHC, který je v těchto dnech, byť s určitými problémy, uváděn do provozu v CERN v Ženevě. Sedmaosmdesátiletý Yoichiro Nambu je mezi fyziky považován za geniálního vizionáře, který nasměroval řadu svých kolegů k významným objevům a teoriím. Jeho myšlenky vedly například ke zformování teorie strun nebo k popisu dynamiky interakcí kvarků a gluonů, za který dostala trojice amerických vědců Nobelovu cenu v roce 2004.
„Nambu by si tehdy ocenění také zasloužil, protože k tomuto popisu významně přispěl. Existuje ale nepsané pravidlo, že laureáti mohou být vždy nanejvýš tři,“ říká Jiří Chýla. „Letošní cena pro tohoto úžasně skromného člověka je proto nepochybně zasloužená a do jisté míry ji lze považovat za ocenění jeho celoživotního díla,“ uzavírá český odborník.
