Patafyzika vesmíru (4. část)

Do závěrečné části jsem vybral citace z popularizačních prací autorů jakými jsou: Stanislav Mihulka, Dagmar Gregorová a Josef Pazdera z webových stráněk Osel.cz. Složitě formulované odstavce je možné přeskočit.

*Vědci předpokládají, že vesmír vznikl přibližně před čtrnácti miliardami let událostí, které se říká Velký třesk. Dá se přirovnat k velkému výbuchu. Od té doby se vesmír rozpíná. Kdyby v něm bylo dostatek hmoty, gravitace po čase převýší nad rozpínáním a vesmír se zase smrskne. Jenže to se neděje. Vesmír se nejen rozpíná, ale rozpíná se stále rychleji.

*V průměru totiž jeden krychlový metr prostoru obsahuje stěží tři protony, tj. řádově 10^-27 kg hmoty!

*Deuterium se v přírodě běžně vyskytuje vedle lehkého vodíku (jehož jádro obsahuje pouze proton). V průměru připadá jeden atom deuteria na 7 000 atomů vodíku. Deuteria obsahují v jádře jeden proton a jeden neutron.

*Naše líné Slunce se otočí kolem své osy jednou za měsíc, zběsilý trpaslík ze soustavy DG Canum Venaticorum za méně než den. Rychlá rotace víří jeho mohutnými magnetickými poli a podle všeho občas odpálí neuvěřitelnou hvězdnou erupci. Vliv může mít i uspořádání těsné dvojhvězdy a další věci. Věřme nicméně, že je to největší trik, na který se soustava DG Canum Venaticorum zmůže a že není schopná odpálit něco ještě šílenějšího směrem k nám. 26 světelných let je najednou až nechutně malá vzdálenost.

*U hvězd, které už spálily většinu vodíku, se v jádře nakumuluje helium. V případě, že je teplota uvnitř hvězdy větší než cca 15×10⁶ °K, začne se z helia syntetizovat uhlík ze třech jader helia. Tak hvězda opět chvíli svítí. Poté jsou zde přechodná stádia jako obři a veleobři, a konečné stadium některých hvězd, bílí trpaslíci. Mlhoviny jsou tvořeny extrémně zředěným plynem. Hoření hélia brzy vytvoří inertní jádro hvězdy z uhlíku a kyslíku obklopené slupkou hélia.

*Elektron je společně s protonem a neutronem základní stavební částicí veškeré známé hmoty, neboť má vliv na vlastnosti atomu. Kolem jádra – v elektronovém obalu – se v každém atomu vyskytuje přesný počet elektronů, který je stejný jako počet protonů v jádře. Dojde-li k odtržení nebo přidání elektronu, stává se z atomu iont.

*Hmotnost protonu je více než o tři řády větší než hmotnost elektronu. Poměr hmotnosti protonu a elektronu podle všeho nezávisí na síle gravitačního pole. První autorka badatelského týmu Julija Bagdonaite neskrývá spokojenost. Před časem se jim na chilské soustavě teleskopů Very Large Telescope povedlo potvrdit konstantnost této základní fyzikální konstanty v čase, během historie vesmíru, teď zase uspěli v mohutném gravitačním poli. Postupně vychází najevo, že přinejmenším tahle fyzikální konstanta má pořádně tuhý kořínek a lze na ní stavět v úvahách o osudu celého vesmíru.

*Celý vesmír byl tehdy mnohem menší než proton, zhruba odhadnuto, a jeho teplota byla asi 10³² °K. 200 miliard stupňů, což je asi stotisíckrát více, než teplota slunečního jádra! Takto vysoké teploty panovaly ve Vesmíru pouze po několik málo miliontin sekundy po Velkém třesku. Potom nastalo okamžité rozfouknutí do téměř současných rozměrů. Zrod vesmíru ze singularity, ve které se potkávají fyzikální nekonečna všeho druhu a jeho okamžitá inflace do téměř současných rozměrů není příliš stravitelná představa.

*Cantor v 19. století v rámci jeho tzv. naivní (intuitivní, neformalizované) teorie množin ukázal, že množina reálných čísel má větší mohutnost než množina přirozených čísel a též že existuje monumentální hierarchie navzájem různých nekonečných množin (kardinálních čísel), kterou později David Hilbert nazval rájem matematiků. I ve formální teorii množin, vybudované Zermelem a doplněné Fraenkelem na počátku minulého století, která odstranila nepříjemné paradoxy objevené v Cantorově světě množin a na které je postavena veškerá formální struktura současné matematiky, je díky vhodné volbě axiomů diagonální důkaz umožněn. Onen ráj tedy existuje dodnes a matematici v něm stále bádají. Diagonální metoda ovšem není pro lidskou intuici dokonale průhledná, neboť manipuluje s aktuálním (skutečně existujícím) nekonečnem. Samotná matice (tabulka), která se pro potřeby důkazu vytváří, je jen potencionálně nekonečná – v každém okamžiku máme k dispozici pouze konečnou matici, jsme však schopni ji neustále ve dvou směrech prodlužovat. Pak se ale pomocí prvků diagonály definuje nekonečný objekt, jemuž se přisoudí existence a se kterým se dále pracuje jako s aktuálním nekonečnem. Všechny posloupnosti, které je člověk schopen generovat, byť s použitím počítače, jsou pouze potencionálně nekonečné. Existence aktuálního nekonečna i celého ráje množin vybudovaného Cantorem bude navždy spekulativní a je ji třeba považovat za otázku víry. Vždyť i asi nejsilnější argument pro existenci aktuálního nekonečna – argument Bolzanův – je teologické povahy.

*Záporná čísla byla objevena indickými matematiky okolo roku 600 n. l. a krátce nato znovuobjevena v Číně. V Evropě nebyla obecně přijata do 17. století.

*Elektron má záporný náboj a jeho antičástice pozitron pak stejně velký, ale kladný. Postupně byly nalezeny antičástice ke všem známým částicím. Nejznámější vlastností antihmoty je, že při jejím setkání s hmotou dochází k anihilaci, při které se velká část klidové energie spojené s klidovou hmotností zúčastněných částic přemění na energii kinetickou. Velmi častým procesem je anihilace elektronu a pozitronu, při které vznikají dva fotony záření gama. Toto obrovské uvolnění energie je důvodem, proč je antihmota běžnou rekvizitou sci-fi. Anihilace je také jedním z největších problémů při přípravě složitějších forem antihmoty. Je totiž velice těžké oddělit antičástice a antihmotu od hmoty a zabránit anihilaci. Kvůli tomu se zatím nepodařilo vyprodukovat antijádro složené z více nukleonů než čtyři. A antihelium čtyři se poprvé podařilo připravit a potvrdit teprve v minulém roce (2011).

*Pak postupně na IceCube zachytili 26 neutrin, sice méně energetických, ale nejspíš taky z hlubokého vesmíru. Vědci odhadují, že každé z těchto neutrin mělo energii zhruba jednoho milionu miliard elektronvoltů, čili jeden petaelektronvolt (1 Pev).

*Izotop ²³⁸Pu s poločasem rozpadu 88 let slouží často jako energetický zdroj především v kosmických sondách. V tzv. radioizotopovém termoelektrickém generátoru se mění tepelná energie uvolněná samovolným jaderným rozpadem na elektrickou pomocí termočlánků. Pro tyto účely jsou vhodné izotopy s poločasem rozpadu v řádu desítek let, protože uvolněná energie je dostatečně velká, aby mohla být prakticky využita, a zároveň zaručuje použitelnost zdroje po dobu minimálně 50 let. Produkovaný výkon generátoru dosahuje stovek wattů, což postačuje pro udržení provozu základních elektrických přístrojů vesmírné sondy. Plutoniové generátory zásobují energií např. sondy Galileo nebo Cassini a udržují v provozu vědecké přístroje, zanechané na Měsíci kosmonauty v rámci projektu Apollo.

*Že by se umírající hvězdy nezhroutily do singularity, ale že by zkolabovaly do struktury o Planckově hustotě. Ta je vlastně jenom vlásek od singularity, neboť odpovídá hmotě 10 na 23 Sluncí, stlačené do prostoru jediného atomového jádra. Tahle hustý byl vesmír po uplynutí jedné jednotky Planckova času (cca 10 na mínus 43 sekundy) po Velkém třesku. Podle Rovelliho a Vidottové by kvantově gravitační efekty udržely zhroucenou hvězdu mimo singularitu. Z pohledu hvězdy by šlo o nesmírně krátký okamžik, v okolním vesmíru by ale kvůli gigantické dilataci času mohutnou gravitací uplynuly miliardy let.

*Současná teorie vysvětlující silnou interakci (kvantová chromodynamika) předpovídá, že při velmi vysokých teplotách a velmi vysokých hustotách nebudou kvarky ani gluony vázány uvnitř částic. Naopak budou volně koexistovat ve stavu, který nazýváme kvark-gluonové plazma. K přechodu do této fáze by mělo dojít v případě, kdy teplota přesáhne jistou kritickou hodnotu. Ta by se měla pohybovat okolo 200 miliard stupňů, což je asi stotisíckrát více než teplota slunečního jádra! Takto vysoké teploty panovaly ve Vesmíru pouze po několik málo miliontin sekundy po Velkém Třesku. Domníváme se, že tehdy byl Vesmír skutečně ve stavu kvark-gluonového plazmatu.

*Podle současných poznatků považujeme kvarky a leptony za skutečně fundamentální částice, které již nemají žádnou vnitřní strukturu.

*Jak jistě všichni víte, pátrání po temné hmotě je už natolik sžíravé, že astrofyzici napínají kreativitu až do krajnosti a vytahují zajímavější a zajímavější hypotézy. Ve vesmíru podle všeho stále schází podstatná část hmoty a my s tím musíme něco udělat. Podle jedné čerstvé hypotézy netvoří temnou hmotu WIMPy ani axiony, ani žádné podobné částice mikrosvěta. Prý by to naopak mohly být pořádně veliké objekty o velikosti poctivého asteroidu, které by ovšem byly husté jako neutronová hvězda nebo jádra atomů. Jsou to podivuhodná a temná makra (anglicky v množném čísle Macros). Na rozdíl od WIPMů, tedy slabě interagujících masivních částic nebo axionů, čili slabě interagujících a nepatrně hmotných částic, jsou temná makra rozhodně velmi makroskopická. Jejich velikost ale přitom není to jediné, v čem se liší od tradičních kandidátů na temnou hmotu. Mohla by se totiž skládat z běžných částic Standardního modelu a k jejich vysvětlení možná nebude nutná žádná nová fyzika. Což je samozřejmě škoda, ale za objasnění původu tvrdošíjně vzdorující temné hmoty by to stálo. Starkman a spol. se tedy ptají, jak vlastně víme, že temnou hmotu netvoří vcelku obyčejné kvarky a elektrony? Astrofyzici už během intenzivního a dlouhého honu na temnou hmotu vyloučili většinu běžné hmoty. Postupně jako kandidáty temné hmoty zamítli temné jupitery, bílé trpaslíky, neutronové hvězdy, černé díry hvězdných velikostí, také supermasivní černé díry a spolu s nimi i těžká neutrina. Stále ještě ale zbývá prostor hledat temnou hmotu v exotické, leč složením stále ještě běžné hmotě. Temná makra Starkmana a spol. by mohla být chuchvalcemi jaderné hmoty s významnou příměsí podivných kvarků. Podivné kvarky jsou sice dost nestabilní, ale podle Starkmana jsou i takové neutrony vlastně hodně nestabilní. Nicméně když se neutrony spojí se stabilními protony, jako například v atomech helia, zůstávají stabilními. Starkman se s kolegy domnívá, že v raném vesmíru mohlo vzniknout veliké množství podivné jaderné hmoty a její chuchvalce přetrvaly do dneška jako temná makra. A matou nás jako temná hmota vesmíru. Jestli to tak doopravdy je, tak temná hmota pěkně pasuje do Standardního modelu částic. Temná makra by v takovém případě vznikla z podivných i dalších kvarků v čerstvě zrozeném vesmíru, který měl teplotu 3,5 bilionů stupňů Celsia, prý zhruba tolik, jako je v nitru masivní supernovy. Podle Starkmana a spol. si už teď temná makra můžeme ohraničit následujícími limity. Víme, že by temná makra měla být hmotnější než 55 gramů, jinak by je svého času zachytily detektory Skylabu a další přístroje. Zároveň by měla být lehčí než 10 na 24 gramu, jinak bychom pozorovali, jak ohýbají světlo. Což, jak se zdá, nepozorujeme. Můžeme vyloučit i rozmezí 10 na 17 až 10 na 20 gramu na centimetr čtvereční, jinak bychom viděli, jak temná makra gravitačně čočkují jednotlivé fotony gama záblesků z hlubokého vesmíru. A to taky nevidíme. Pokud temná makra mají hmotnost kolem 10 na 18 gramu, tak by měla zasáhnout zhruba Zemi jednou za miliardu let. Mají-li nižší hmotnost, tak by měla naši planetu zasahovat častěji, možná ale nezanechávají žádné rozeznatelné stopy. Uvidíme, jestli se zajímavá temná makra prosadí jako kandidáti na temnou hmotu. S ničím výrazně neinteragují, protože jsou buď příliš velká, nebo příliš malá. Existence takových maker je v této chvíli velmi spekulativní. Nicméně vysvětlení podstaty mysteriózní temné hmoty pomocí tohoto jaderně velmi hustého kosmického smetí by bylo velice překvapujícím a rozhodně neočekávaným rozuzlením více než osmdesát let trvající monumentální kosmologické záhady.

*U některých zákonů zachování nebylo nikdy pozorováno, že by byly (za nějakých speciálních podmínek) porušeny. Mezi takové zákony lze zařadit např.

• Zákon zachování energie
• Zákon zachování hybnosti
• Zákon zachování momentu hybnosti
• Zákon zachování elektrického náboje
• Zákon zachování barevného náboje
• Zákon zachování symetrie

Existuje také velká skupina zákonů, které jsou platné pouze za určitých podmínek (např. při nízkých rychlostech). Mezi takové zákony lze zařadit např.

• Zákon zachování hmotnosti (platí pouze při nízkých rychlostech)
• Zákon zachování baryonového čísla, leptonového čísla apod.

Byly zformulovány dva na sobě nezávislé zákony: zachování energie a zachování hmoty. Ale pak v roce 1905 Albert Einstein učinil epochální objev, totiž že oba tyto klíčové přírodní zákony ve skutečnosti odděleně neplatí, neboť existuje propojení mezi „světem hmoty“ a „světem energií“. Množství hmoty, které se ztratí, je přitom vždy vyváženo množstvím energie, která se získá, a naopak.

*Že černoděrové bomby mohly řádit v raném vesmíru, kdy vznikaly primordiální černé díry – nikoliv zhroucením těžké hvězdy, ale z chuchvalců nesmírně husté prvotní hmoty vesmíru. Pokud by to takhle fungovalo, tak by velká většina z nich měla z našeho pohledu nepatrné rozměry a zároveň dost intenzivní hmotnost. Zhruba tak od mikroskopických, o váze menší než náš Měsíc, až po primordiální díry velikosti ledničky a hmotnosti odpovídající Jupiteru. Po primordiálních černých děrách jde i Hanasogeho tým, kteří by je chtěli najít při srážce se Zemí. Na rozdíl od běžných smrtelníků byli proto asi poněkud zklamaní, když vypočítali, že by se vlastně nic moc nestalo. Simulovali situaci, kdy by Zemi zasáhla černá díra o hmotnosti v řádu miliard tun, což zní strašidelně, ale ve skutečnosti by taková černá díra byla menší, než jádro běžného atomu. Přiletěla by prý rychlostí pár set kilometrů za sekundu a vzhledem ke směšným rozměrům by jenom prorazila velice tenký tunel skrz naši planetu, odpovídající zhruba píchnutí špendlíku. Naštěstí (pro astrofyziky) by asi způsobila symetrické rázové vlny po celé Zemi a tedy globální zemětřesení, byť nepříliš velké intenzity – kolem 4 stupňů Richterovy škály. Něčeho takového bychom si ale ani nemuseli všimnout.

*Kvarky jsou podle standardního modelu částicové fyziky elementární částice, ze kterých se skládají hadrony (tedy například protony a neutrony). Tyto částice mají spin ½ , což znamená, že se jedná o fermiony. Dle standardního modelu částicové fyziky nemají kvarky vnitřní strukturu a jsou spolu s leptony a kalibračními bosony „nejmenší“ známé částice, ze kterých se skládá hmota. Baryony (například proton) se skládají ze tří kvarků, mezony (například pion) se skládají z jednoho kvarku a z jednoho antikvarku. Již v roce 1974 se objevily první modely počítající s tím, že kvarky se skládají z dalších menších částic, tzv. preonů. Dodnes však pro tyto teorie neexistuje experimentální důkaz, kvarky se chovají jako bodové až do rozměrů řádově 10 ^-18 metru a tam je i hranice současných experimentálních možností. Vysoce energetická srážka hadronů však může způsobit jejich „roztavení“ a vznik tzv. kvark-gluonového plazmatu. V něm se kvarky mohou pohybovat volně. Tento stav hmoty měl být ve vesmíru 20-30 mikrosekund po Velkém třesku a lze jej na extrémně krátkou dobu vytvořit v částicovém urychlovači.

Kvarky se řadí k fermionům se spinem a baryonovým číslem.

Ke každému kvarku existuje příslušná antičástice – antikvark.

Vůně: Kvarky se rozdělují na šest tzv. vůní. Elektrický náboj, izospin, podivnost, půvab, krása a pravda představují kvantová čísla kvarku.

Kvarky řadíme do generací (podobně jako leptony). První generaci tvoří kvarky u a d, druhou generaci tvoří kvarky s, c a třetí generaci tvoří kvarky b a t.

Barevný náboj: Každý z kvarků se navíc může vyskytnout ve třech barvách, jimž přiřazujeme hodnoty červená, zelená nebo modrá. Barvy slouží pouze k určitému označení a představují jistý druh náboje (tzv. barevný náboj). Kvarky však ve skutečnosti v žádném případě nemají žádnou barvu, protože jsou mnohem menší než vlnová délka viditelného světla. Barva má v tomto případě podobný význam jako např. elektrický náboj. Leptony jsou elektron a neutrino, každý ve třech generačních variantách (elektron, mion a tauon; a neutrino elektronové, mionové a tauonové). Každý lepton má svou antičástici, v případě elektronu je to pozitron. Leptony nemají podle současného poznání vnitřní strukturu. Všechny podléhají slabé interakci. Elektron, mion a tauon mají stejný jednotkový elektrický náboj a interagují elektromagneticky.

Kvarky jsou stavební částice hadronů (např. protonu nebo mezonů). Existuje jich šest (každý se svým antikvarkem), stejně jako u leptonů ve třech generacích. Podléhají všem známým základním interakcím (silná, slabá, elektromagnetická). Jejich elektrický náboj je ±1/3 náboje elektronu. Kvarky se za běžných okolností nikdy nevyskytují samostatně, ale vždy ve složitějších objektech z více než jednoho kvarku. Vzhledem k tomu má tvrzení o existenci kvarků jako částic dosti specifický význam (blíže viz asymptotická volnost kvarků). (Podobně se užívá název atom, což doslova znamená nedělitelný.) Označení elementární částice má specifické problémy. Přívlastek elementární znamená doslova základní. Běžně se s tím spojují další vlastnosti – dále nedělitelný, bez vnitřní struktury. Ovšem s vývojem poznání se několikrát ukázalo, že částice považované za základní mají vnitřní strukturu a skládají se z částic ještě základnějších. Hadrony (např. proton nebo neutron) byly dlouho považované za nedělitelné, ale standardní model ukazuje, že se skládají z kvarků. Při doslovném výkladu tedy to, které částice jsou elementární, závisí na aktuálním stavu poznání.

*Historie vesmíru byla bitvou mezi dvěma temnými obry, temnou hmotou a temnou energií, řekl astrofyzik Michael Turner z Chigagské univerzity. Je to poprvé, co vidíme účinek temné energie, řekl. Temná energie tvoří podle vědců asi 74 procent vesmíru, zatímco temná hmota – záhadná forma hmoty, kterou vědci mohou zjistit jen působením její gravitace na předměty, tvoří asi 22 jeho procent. Zbývají jen 4 procenta vesmíru, a ten je složen z věcí, které můžeme vidět a dotýkat se jich: Tvoří je normální protony, elektrony a neutrony, kterým se říká baryonická hmota.

*Hmota, kterou známe, tvoří ve vesmíru pouhá 4 %. Asi 25 % složení vesmíru tvoří hmota, které se říká temná, neboli skrytá. Tou nejtajemnější skutečností je existence takzvané temné nebo skryté energie či spící energie. Ta tvoří plných 70 % vesmíru. Vědci předpokládají, že vesmír vznikl přibližně před čtrnácti miliardami let událostí, které se říká Velký třesk. Dá se přirovnat k velkému výbuchu. Od té doby se vesmír rozpíná. Kdyby v něm bylo dostatek hmoty, gravitace po čase převýší nad rozpínáním a vesmír se zase smrskne. Jenže to se neděje. Vesmír se nejen rozpíná, ale rozpíná se stále rychleji. Pozorování z Hubbleova teleskopu nezatížená matoucími atmosférickými jevy říkají: vypadá to, jako by se asi tak před devíti miliardami let zapnul obrovský kosmický antigravitační stroj, který vesmír rozpíná. A to je ona hypotetická síla. Ona hypotetická temná, neboli skrytá energie, která celý vesmír prostupuje. Jaká je povaha skryté energie, známo není. Nejjednodušší a nejpochopitelnější výklad říká, že by to mohla být daň za existenci prostoru. Prostor je prostorem právě proto, že je v něm skrytá energie.

*Vesmír má právě takové vlastnosti, které má, protože jsme tady my – inteligentní pozorovatelé. Kdyby měl vesmír jen trošičku jiné vlastnosti, nevznikl by život a nebyli bychom tady ani my – inteligentní pozorovatelé, praví antropický princip. S vesmírem je potíž.

*Jeho nejmenší součásti popisuje kvantová teorie, největší součásti, například to, co se děje s galaxiemi, popisuje teorie relativity. Měly by se dát sloučit, ale to se nedaří. Lékem by měla být teorie kvantové gravitace. Jenže s tou je také potíž. Z teorie kvantové gravitace totiž plyne, že by nemusel existovat jeden jediný vesmír – ten náš, universum, ale nepředstavitelně velké množství vesmírů popsané číslem, které by mělo za jedničkou plných 500 nul. Jak je tohle možné? Představte si „časoprostorovou pěnu“ tvořenou nezměrně malými bublinami na dně fyzikálních možností. Každá z těchto bublin se může rozepnout na celý vesmír, tak jako se to prý stalo s vesmírem naším. A záleží jen na skryté neboli temné energii. Na skryté neboli temné energii se věci shodují, existuje a rozpíná náš vesmír, ale co to je, neví nikdo. V jiných vesmírech, které se rozepjaly, by platila odlišná pravidla, každý by mohl mít ta svá, tím pádem by tady platily odlišné fyziky. Velký počet vesmírů by byl pro život nehostinný, například proto, že by v nich chyběl uhlík – základní páteř života. Jak vysvětlit tohle? Prstem božím to nejde, to je akt víry, nikoli poznání. A vyložit to neznámou fyzikou, to je základní prohřešek proti vědeckému poznání, protože neznámé jevy nelze vykládat neznámými teoriemi. A co když z téhle šlamastyky půjde cesta ven užitím principů známých? To by bylo elegantní využití Ockhamovy břitvy – základního vědeckého myšlenkového nástroje připisovaného františkánovi Williamu Ockhamovi. Ockhamova břitva říká: K vysvětlení neznámého jevu užij pokud možno co nejmenší počet jevů známých. Takže vědce napadlo, že ta jednička s pěti sty nulami nemusí být počet vesmírů čili multiversum, ale počet řešení systému rovnic, čímž by počet vesmírů podstatně klesl – možná až na ten náš jeden jediný, čímž jsme se poněkud dostali tam, odkud jsme vyšli.

*Elementární částice byly dlouho chápány jako hmotné body. Teprve později vědce napadlo, že by to nemusely být body, ale nepatrné kmitající struny při samém dnu fyzikálních možností. Elementární částice, které pozorujeme v obrovských srážkovačích, by tedy byly něco jako rezonance. Něco jako tóny vyluzované strunami kmitajícími pod gigantickým napětím. Dostáváme se do situace, která připomíná spoustu čertíčků tancujících na špičce scholastikovy jehly. A matematici tam možná mají obrovskou spoustu andělíčků, kteří tam brnkají na superstruny.

*Hannes Alfvén (1908-1995), švédský fyzik a nositel Nobelovy ceny (1970) řekl, že se věda vyvíjí ve třech hlavních směrech: zkoumá jevy největší, to je svět vesmíru, jevy nejmenší, to je svět atomů a jejich součástí, a jevy nejsložitější, to je vše, co se týká života včetně lidí.

*Historie, o které vyprávím, sahá do roku 1959. V tomhle roce Richard Feynman, geniální americký fyzik, nositel Nobelovy ceny, vědecký vizionář, výborný pedagog a člověk s drastickým smyslem pro humor, pronesl proslulou přednášku. Jmenovala se: Tam na dně je přece spousta místa. Tím dnem měl na mysli svět, jehož rozměry se pohybují v miliardtinách metru, tedy v nanometrech. A hned na začátku přednášky se Feynman zeptal, jak by se dalo napsat 24 svazků Britské encyklopedie na hlavičku špendlíku. Feynmanova přednáška se považuje za okamžik, ve kterém se zrodila nanotechnologie. Nanotechnologie změní svět. Nové materiály, nano-dráty, nano-roboti, a také nano-počítače včetně DNA počítačů.

*Koukolík: Vezmete-li pět mincí a hodíte-li je na zem, pak pravděpodobnost, že všechny dopadnou rubem nebo lícem, je asi 3 %. Ale když hod provedete stokrát, je tato pravděpodobnost 96 %. Jinak řečeno, i velmi vzácné jevy jednou v dostatečně dlouhé řadě nastanou.

*Čím je planeta vzdálenější od slunce, tím déle obíhá kolem hvězdy. Pozorování spirálních galaxií ale prokázalo, že rychlost oběhu hvězd kolem jádra galaxie nezáleží v podstatě na jejich vzdálenosti od středu galaxie. Proč se tak děje? Copak jsou jiné zákony v soustavách planetárních a soustavách galaktických? To se zdá nepravděpodobné. Vědci proto zakomponovali do vysvětlení tzv. temnou hmotu. To ale znamená, jako bychom se vraceli do dvacátých let, kdy se soudilo, že vesmír vyplňuje éter. To až Einstein pronesl, že žádný éter neexistuje. Temná hmota a temná energie se od sebe liší pouze prostorovým uspořádáním.

*Když se vesmír rozpíná, hmota a čas se mění v délku a prostor; když se vesmír smršťuje, je tomu naopak. Takový vesmír nemá začátek ani konec, pouze střídající se periody rozpínání a smršťování. Podle Šua zde nemohou existovat singularity předpokládané tradiční teorií Velkého třesku.

*Gamow naprosto odmítl myšlenku neproměnné hustoty vesmíru a zabýval se naopak otázkou, co se dělo s hmotou vesmíru v době, kdy její hustota byla v minulosti evidentně vyšší než je dnes. Poznamenejme, že současná průměrná hustota vesmíru je z technického hlediska téměř naprostým vakuem, nedosažitelným v laboratorních podmínkách. V průměru totiž jeden krychlový metr prostoru obsahuje stěží tři protony, tj. řádově 10^-27 kg hmoty! Ve velmi raném vesmíru tomu dle Gamowovy úvahy muselo být naprosto jinak. Postupujeme-li proti toku času pozpátku, najdeme vždy ve velmi raném vesmíru okamžik, kdy průměrná hustota vesmíru je rovna libovolně vysoké zadané hustotě. Lze očekávat – jak si Gamow správně uvědomil – že při překročení určité hustoty hmoty se stav hmoty kvalitativně změní. Souběžně s rostoucí hustotou roste i teplota vesmírné látky a záření, což dříve či později znamená i fázové přechody „skupenství“. Jinými slovy, Gamow přišel s myšlenkou neobvyklého počátečního stavu vesmírné látky, jež se ve všech myslitelných směrech liší od dnes pozorovaných částic – tuto látku nazval „ylem“. Gamowova myšlenka byla zprvu naprosto odmítána nejspíše pro svou zdánlivou bizarnost. Nicméně hlavní předpovědi domněnky, kterou Gamow a jeho žáci uveřejnili v letech 1946-48, se postupně potvrdily astronomickými pozorováními. Gamow především ukázal, že z „ylemu“ v postupně se rozpínajícím, chladnoucím a stále řidším vesmíru vznikla téměř výhradně jen jádra dvou nejjednodušších prvků Mendělejevovy soustavy – tj. vodíku a hélia – v magickém hmotnostním poměru 3:1. Právě tento poměr byl ověřen astronomickými pozorováními na konci sedmdesátých let tohoto století. Všechny těžší prvky (od uhlíku až po uran) vznikaly až mnohem později při rozličných fyzikálních procesech v nitru hvězd a dodnes souhrnně představují jen nepatrná 2% vesmírné látky.

*Jsou Higgsovy bosony tvořeny ještě menšími technikvarky? Higgsův boson možná není elementární částicí. Říká se, že by ho mohla tvořit dvojice technikvarků svázaných silou technicoloru. V takovém případě by Higgs přestal porušovat estetický fyzikální princip přirozenosti. Higgsův boson je velmi nepatrný a jeho objevení bylo očividně na samotné hranici soudobých technologií. Zároveň je ale ve hře možnost, že se Higgsův boson skládá z ještě nepatrnějších částic. Jejich objevení je prozatím mimo naše možnosti. Motivací jsou pro něj obtíže, které přináší objev Higgsova bosonu. Kdyby totiž Higgsův boson byl jednou fundamentální částicí, která se už nedělí na žádné menší částice, tak tím vlastně zásadně ohrožuje, jak jsme už na OSLU psali, princip přirozenosti (naturalness). A ten fyzici velice milují. Jde o problém s hmotností Higgsova bosonu, která by se měla dramaticky zvyšovat při interakcích s virtuálními částicemi ve vakuu, na hodnotu srovnatelnou s Planckovou hmotností. Nárůst je to doopravdy šílený, 100 milionů miliardkrát, oproti hodnotě naměřené z dat LHC. Ve skutečnosti je kvůli tomu nutné velice zkroutit Standardní model a pošpinit tím zmíněný princip přirozenosti. Vědci se snaží odbourat potřebu intenzivně ladit Standardní model a vrátit Higgsův boson do náruče přirozenosti rozmanitými rozšířeními Standardního modelu, mezi nimiž je dnes nejpopulárnější supersymetrie. Podle této představy mají běžné částice své supersymetrické protějšky. Pokud by supersymetrické částice existovaly, tak by mimo jiné zrušily působení virtuálních částic vakua na Higgsovy bosony a tím i srazily úžasně nakynutou hmotnost Higgsových bosonů zpět do slušných mezí. Potíž je v tom, že jsme zatím žádnou supersymetrickou částici neviděli. Higgs se rozpadá na čtyři leptony v detektoru ATLAS. Podle Ryttova se z mnoha stran sbírá víc a víc dokladů, které svědčí ve prospěch existence částic, z nichž by se měl skládat Higgsův boson, čili technikvarků. Higgs by v takovém případě tvořila dvojice technikvarků, slepená dohromady silou technicoloru, odvozené od kvantové chromodynamiky. Podobně jako když kvarky vytvářejí protony a neutrony. Technikvarky by měly mít spin jedna polovina a dva technikvarky by daly dohromady Higgsův boson s nulovým spinem. Problém s přirozeností hmotnosti Higgova bosonu by pak prý odpadl. Ryttov si otestoval celou řadu teorií, které uvažují Higgsův boson jako částici složenou z menších částic. Nenašel žádný likvidační problém a koncept technikvarků v jeho očích naopak posílil. Je prý zřejmé, že Higgsův boson se slušnou pravděpodobností není elementární, dále nedělitelnou částicí. Teoretický fyzik Kimmo Tuominen z Helsinské univerzity považuje Ryttovovu studii za přesvědčivé posílení teorií s technikvarky, které ve skutečnosti pocházejí už ze sklonku sedmdesátých let. Higgsovy bosony s vnitřní technikvarkovou strukturou jsou stále spekulativní, podle Tuominena ale rozhodně zůstávají ve hře. Až se v roce 2015 rozjede vylepšený srážeč hadronů LHC, který by měl ve srážkách dosahovat energie 14 teraelektronvoltů TeV, bude analýza vnitřku Higgsova bosonu jedním z jeho hlavních úkolů. Třeba se pak ukáže, že žijeme ve světě technicoloru. Právě rozdíly hmotnosti elementárních částic zásadně ovlivňují spoustu procesů v našem světě a to dělá z Higgsova bosonu významného hráče v pochopení vesmíru. Média ho překřtila na Božskou částici. Vědci hledají Higgsův boson už řadu let, ve srážkách nesmírně energetických částic na různých urychlovačích. Jeho možnou hmotnost, vyjádřenou jako energii, vylučovací metodou přímo v experimentech a také nepřímým měřením postupně zúžili na rozmezí 115 až 141 GeV (gigaelektronvoltů). Vědecké týmy Velkého hadronového urychlovače konečně vystopovaly Higgsův boson, jehož hmotnost by měla být kolem 125 GeV, čili zhruba 133 násobek protonu. Podle teoretického fyzika Matta Strasslera z Rutgers University ještě nemusí neexistence Higgsova bosonu znamenat, že také neexistuje Higgsovo pole, které by se projevovalo ve Standardním modelu vesmíru. Problém může být jen v tom, že z nějakého důvodu toto pole nevytváří částice pozorovatelné technologiemi LHC. Své pozoruhodné jméno technicolor vtipně získal od kvantové chromodynamiky, čili kalibrační teorie interakcí barevných kvarků, antikvarků a gluonů, na které byl technicolor modelován. Je to vlastně síla, extrémní verze silné interakce, známé tím, že drží pohromadě kvarky a antikvarky v hadronech, jako je například proton nebo neutron. Pokud síla technicoloru existuje, měla by vyplňovat prostor exotickými částicemi, přes které se prodírají nám již známé částice a přitom získávají svoji hmotnost.

*Nenajde-li se onen boson, bude nutno fyziku přehodnotit a vrátit se k vlnové fyzice, kde částice jsou jenom informací (jakousi frekvencí, nějaké energie) zavinuté části prostoru (pole) a v tomto poli jsou závislou entitou. Jako mnohokrát ve vědě a fyzice zvlášť, se vrátíme k Maxwelovým rovnicím a začneme od nového začátku. Ale to jenom pro případ, že onen Higgsův boson se ukáže vědeckým přeludem.

*Podle Davida Weira z finské Helsinské univerzity a jeho kolegů je jednou z možností naslouchat vesmíru, kde by mohlo být ještě slyšet pradávné hřmění bublin Higgsova pole, které těsně souvisí s Higgsovými bosony a prostupuje celým vesmírem. Higgsovo pole je skalární pole, čili má v každém bodě jediný číselný údaj. Ze Standardního modelu vyplývá, že se Higgsovo pole zapnulo v celém vesmíru najednou, 100 pikosekund po Velkém třesku. Nicméně, podle teorií, které se rozprostírají do divočiny za Standardní model, se zapnutí Higgsova pole odehrálo mnohem dramatičtěji. Jako když se začíná vařit voda v konvici na čaj. Mžik po Velkém třesku ve žhavé a husté hmotě vesmíru bublalo Higgsovo pole. Kde se objevily jeho bubliny, tam mladičké částice vesmíru náhle získávaly hmotnost. A když se stěny bublin vroucího Higgsova pole střetly, tak podle těchto představ zachvěl časoprostor a vznikly gravitační vlny. Vědci až do teď měli za to, že i kdyby tyhle vlny vznikly, tak by dnes byly už tak slabé, že bychom je nebyli schopní zachytit. Weir a spol. s tím ale nesouhlasí. Uskutečnili první trojrozměrnou simulaci bublin Higgsova pole, do níž zahrnuli interakci s horkou hmotou raného vesmíru. Z jejich výsledků vyplývá, že rostoucí bubliny Higgsova pole by měly do horkého guláše částic předávat energii a tím v něm vyvolávat rázové vlny, tedy vlastně zvuk, hřmění. Ozvěnou jejich hřmění by pak mohly být takové gravitační vlny, které by bylo možné zachytit i v dnešním vesmíru. Wier věří, že to zvládne příští generace přístrojů. Časem se ukáže, jestli tu takové gravitační vlny jsou anebo ne. Pro Weirův tým každopádně bylo překvapením už to, že hřmění Higgsových bublin mohlo hrát v raném vesmíru poměrně významnou roli.

*Higgsovy částice. Jde o částice, které jsou zodpovědné za nenulovou hmotnost leptonů, kvarků a polních částic.

*Higgsovy bosony jsou už z módy, teď se loví nepolapitelné gluebally, předpovězené částice slepené ze samých gluonů. Gluebally, hypotetické částice skládající se ze dvou a více gluonů. Gluony jsou elementární částice ze skupiny bosonů, které zprostředkovávají silnou interakci mezi kvarky. Gluony mají nulovou hmotnost, ale gluebally by teoreticky jistou hmotnost mít měly, díky interakcím mezi gluony uvnitř glueballu. Gluony byly objeveny už v roce 1979, deset let po svém předpovězeni, na urychlovači částic PETRA Gluebally jsou ale zatím nepolapitelné, i když je vědci honí celá desetiletí. Doposud není úplně jasné, jak gluebally vznikají a jak se rozpadají. Ještě větší problém ale spočívá v tom, že se v experimentech na urychlovačích nejspíš smíchávají s obyčejnými hadrony, tedy částicemi složenými z kvarků a nesmírně těžko se v takovém guláši hledají. Řešení těchto obtíží a příslib brzkého objevení glueballů nabízejí čínští fyzici Cong-Feng Qiao a Liang Tang z Čínské akademie věd v časopisu Physical Review Letters. Jejich trik spočívá v tom, že se soustředili na takzvané nekonvenční gluebally, jejichž specifické vlastnosti jim neumožňují se míchat s hadrony. Dotyčné gluebally obsahují tři gluony a fyzici jim poťouchle říkají „oddbally“, česky výstředníci, podivíni. Vědci použili kvantovou chromodynamiku, která popisuje vztahy mezi gluony a kvarky a s její pomocí důkladně analyzovali oddbally typu 0 ¯ ¯ (označené podle hodnot kvantových čísel j, C a P). Jsou prý natolik divné, že bychom je měli v experimentech objevit relativně snadno. Qiao a Tang vypočítali, že by měly existovat dva stabilní oddbally 0 ¯ ¯ s teoretickou hmotností 3,81 a 4,33 gigaelektronvoltu. Neměly by se tudíž míchat s hadrony, je prý ale teoreticky možné, že by se zase mohly plést s jinými částicemi, jako jsou hybridní kvarko-gluonové stavy.

*Higgsův boson je anebo ještě nedávno byl poslední scházející elementární částicí Standardního modelu. Jak jsme už na OSLU psali, technicolorový higgs by oproti tomu nebyl elementární částicí, ale skládal by se z technikvarků, které by byly elementární, tedy dále nedělitelné. Pokud technikvarky existují, tak se podle Frandsena mohou různým způsobem kombinovat. V některých sestavách by vytvářely technicolorové higgse, v jiných by mohly dělat temnou hmotu. Frandsen a spol. předpokládají, že bychom po opětovném spuštění vylepšeného Velkého hadronového srážeče LHC mohli polapit hned několik nových částic tvořených technikvarky. Jestli doopravdy existují technikvarky a tvoří částice, tak je musí držet pohromadě nějaká síla. Nezvládla by to elektromagnetická síla, slabá nebo silná jaderná síla ani gravitace. Musela by je držet síla technicoloru, která bývá odvozována od kvantové chromodynamiky. Jak tvrdí výpočty Frandsenova tým, v CERNu chytili buď klasického Higgse Standardního modelu anebo lehkého techni-higgse složeného ze dvou technikvarků. Toto Higgsovské dilema by se mělo vyjasnit po spuštění LHC. Jestli se ukáže, že ve skutečnosti máme technicolorového higgse, tak nám ve fyzice začíná éra nových dobrodružství. Až v CERNu nebo někde jinde zprovozní ještě výkonnější urychlovač, mohli bychom pozorovat technikvarky přímo. Samozřejmě, pokud existují. I když to tak někdy nevypadá, částicoví fyzici neloví jenom mediálně slavný Higgsův boson. Podivuhodná zoologická zahrada hypotetických částic je mnohem pestřejší. Některé částice jsou zvláštní a některé naprosto šílené. Zatím ale netušíme, jestli některá z nich čirou náhodou opravdu nepatří mezi stavební kameny tohoto světa. Teď se ukazuje, že by se překvapivě dobrým nástrojem lovců částic mohly stát samy o sobě už tak dost prapodivné černé díry. Přišla s tím dvojice nevinně vyhlížejících badatelů z Vienna University of Technology – Gabriela Mocanu a její student Daniel Grumiller. Právě pomocí černých děr v okolním vesmíru chtějí ověřovat existenci zatím poměrně pohádkových částic, axionů. Jejich existenci předpověděli Roberto Peccei a Helen Quinnová v roce 1977 a od té doby se axiony snaží nalézt řada výzkumných týmů v různých experimentech. Axiony, tedy pokud existují, by měly řešit problémy CP symetrie v konceptu kvantové chromodynamiky. Zároveň je ostře sledují odborníci na temnou hmotu, protože právě axiony jsou, spolu s fotiny a neutraliny, významnými kandidáty na chladnou temnou hmotu. Teorie kolem axionů předpovídají, že by měly být velice lehké, neměly by mít elektrický náboj a také by neměly příliš ochotně interagovat s klasickou hmotou. V silném magnetickém poli by měly vznikat z fotonů a zase se na ně proměňovat, v rámci Primakoffova jevu. Spousta jich prý také měla vzniknout v pohnutých dobách Velkého třesku. Podle Mocanu a Grumillera není existence axionů zatím prokázaná, ale prý ji odborníci považují za dost pravděpodobnou. Kvantová fyzika může prakticky každou částici popisovat jako vlnu. Jak je dobré vědět, vlnová délka takové vlny zásadně souvisí s její energií. Relativně těžké částice mají coby vlny krátké vlnové délky, zatímco velmi lehce stavěné axiony by měly mít vlnovou délku o spoustě kilometrů. Mocanu a Grumiller propočítali, že by axiony mohly uvíznout na oběžné dráze kolem nějaké černé díry, tak jako elektrony obíhají v atomech. Mezi elektrony v atomu a axiony kolem černé díry je ale podstatný rozdíl. Elektrony jsou totiž fermiony využívající elektromagnetickou sílu a splňující Pauliho vylučovací princip kvantové mechaniky (podle nějž žádné dva nerozlišitelné fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu), kdežto axiony jsou bosony, které by kolem černé díry obíhaly díky gravitaci a z Pauliho principu mají legraci. Pokud existují, tak by měly kolem černé díry vytvořit Bose-Einsteinův kondenzát, oblak bosonů, který by z černé díry neustále sosal dostupnou energii a množil tím axiony. Mocanu a Grumillera mají okouzlující metaforu, v níž nejprve jedou s rodiči v autě tři vcelku způsobné děti. Během jízdy ale řádí jako utržené z řetězu a z dospělých tím vytahují energii. Posléze jich je víc a víc a v jednu chvíli jich jede 45, což je docela hororová představa. Oblak bosonů kolem černé díry ale nemusí být příliš stabilní. Občas by se mohl náhle zhroutit jako bosenova, čili v explozi připomínající maličkou supernovu. Nějaké skromnější bosenovy jsme už pozorovali, stále ale zůstávají poměrně tajemné a odborníci přepokládají, že by jejich objasnění významně přispělo k pochopení neutronových hvězd, pulsarů a vůbec celé kvantové teorie. Taková příhoda podle všeho rozvíří tkanivo časoprostoru a vyšle do okolního vesmíru gravitační vlny. Ty bychom mohli s trochou štěstí na Zemi zachytit a potvrdit tím existenci axionů. Zatím se můžeme o axionech a černých děrách jenom dohadovat a čekat na detektory gravitačních vln nové generace, schopné zachytit ozvěnu bosenov, které by měly být v provozu snad kolem roku 2016. Kdo ví, jak to dopadne.

*Co je to antihmota? Každá částice, ze které se skládá naše „normální“ hmota má svého partnera mezi antičásticemi. Ten má stejnou hmotnost, velikost náboje, dobu života i hodnoty dalších fyzikálních veličin. Liší se pouze ve znaménku náboje a znaméncích některých dalších fyzikálních veličin. Protože existují antiprotony a antineutrony, lze sestavit antijádra antiatomů. Existují také antielektrony, kterým se z historických důvodů říká pozitrony. Můžeme tak sestavit také antiatomy a v principu i antimolekuly a větší množství různých forem antihmoty. Takže by mohla existovat antivoda, antiocel i třeba antisvěty. Ovšem jedině do okamžiku než by se antihmota potkala s hmotou. Důležitou vlastností hmoty a antihmoty, pro kterou se objevuje i ve filmu Andělé a démoni, je totiž anihilace. Tento jev nastává v okamžiku, kdy se setkají částice s antičásticí, hmota s antihmotou. V bouřlivém procesu se při anihilaci přeměňuje energie spojená s klidovou hmotností částic na kinetickou energii. A právě obrovská energie uvolněná při anihilaci je využita jako zbraň v příběhu filmu.

*Podle druhého termodynamického zákona se entropie, čili míra neuspořádanosti systému, nemůže samovolně snížit. Jak to všichni důvěrně známe, nepořádek vzniká velmi rychle a velmi snadno, ale sám od sebe se neuklidí. Systémy milují chaos, čili vysokou entropii a dávají mu přednost před řádem neboli nízkou entropií. V nanosvětě ale podle všeho nedbají na předpisy tak absolutně striktně. Druhý termodynamický zákon tu může být porušen, i když je to jen výjimečná a hlavně pomíjivá vzpoura proti establishmentu. Na mikroskopických škálách můžeme občas vidět i takové šílenosti, jako předání tepla od chladného objektu teplejšímu. Fyziky to samozřejmě fascinuje a rádi si s podobnými výstředními jevy hrají. Dellago, Novotny a spol. si pohráli s druhým termodynamickým zákonem v experimentu se skleněnou nanokuličkou o průměru méně než 100 nanometrů, která jim levitovala v laserovém paprsku. Experiment si nastavili tak, že udrželi kuličku na jednom místě a mohli změřit její polohu ve třech rozměrech s nesmírnou přesností. Důvtipnou manipulací s laserovou pastí se jim povedlo skleněnou kuličku ochladit na nižší teplotu, než jakou měly okolní molekuly, a tím pádem ji uvést do nerovnovážného stavu. Pak ochlazování stopli a pozorovali, co se bude dít. Ukázalo se, že se jejich kulička v některých případech zachovala proti liteře druhého termodynamického zákona. Vzácně totiž došlo k přenosu tepla z kuličky na okolní molekuly, tedy z chladného objektu na objekty teplejší. Prostě k přesnému opaku toho, co praví dotyčný zákon. Vzhledem k bouřlivému rozvoji nanotechnologií budeme při podobných studiích termodynamického chování nanosvěta jistě vídat častěji, že teplo přechází ze systému s vyšší teplotou do systému s nižší teplotou. Teploty absolutní nuly nelze ani dosáhnout a už vůbec nenastávají teploty pod nulou. Platí, že o teplotě se dá hovořit jen u systémů složených z velkých statistických souborů a je třeba, aby bylo možné dosahovat termodynamické rovnováhy kvarku a antikvarku, elektronu a pozitronu.

* V roce 1998 se doktorce Lene Vestergaard Hau podařilo světlo zpomalit. Lene Hau zbrzdí světlo v uskupení zvláště studených atomů. Fígl je v tom, že takto zastavené světlo umí zase probudit k životu. Při tomto procesu se mu dokonce nezkřiví ani „vlas na hlavě“. Přesto, že světlo zastaví, převede jej na hmotu a s odstupem času znovu vyvolá, světlu se po všech těch procedurách nezmění žádná z jeho bývalých charakteristik. Hau tím šokuje nejen kolegy ale vlastně celý svět. Při tom, jak nechává mizet světelný puls v jednom studeném mračnu atomů a zařídí, aby se objevil v jeho těsném sousedství, vlastně nejde o nic menšího, než o to, že se jí daří měnit světlo v hmotu a hmotu zase zpět ve světlo. Je to poprvé v historii lidstva co věda dostává do ruky nástroj, který něco takového dokáže. To je věc, o níž většina vědců myslela, že se nemůže nikdy podařit. Kolegové jí říkali „Proč to děláte? To je přece nemožné! To říká Bose-Einsteinův kondenzát.“ Tajemné věci, které jsme nazvali strčením do police, se dějí se světlem ve chvíli, kdy vstoupí do uskupení chladných atomů. Tomuto atomárnímu mračnu se také říká Bose-Einsteinův kondenzát. Zajímavé na něm je mimo jiné i to, že se dokáže smrsknout do objemu padesát milionkrát menšího. Jen si to představte. Světelný paprsek kilometr dlouhý (a s neskutečně velkým objemem nesených informací) se vměstná do škatulky o velikosti průměru lidského vlasu! A přitom se nic z této informace nezmění a neztratí. Takové možnosti si ani tvůrci dnešních nejvýkonnějších počítačů dosud nedokázali představit, ani ve svých nejdivočejších snech. Bez nadsázky lze říci, že se tu otevírají možnosti zcela nových typů počítačů a komunikačních systémů, které budou menší, výkonnější, jež nebude možno odposlouchávat. Za tím vším stojí vlastnost hmoty. Atomy se při pokojové teplotě pohybují náhodně a chaoticky. Jestliže je ale ochladíme ve vakuu na teplotu -273.3 stupňů Celsia, začnou se k sobě choulit a chovají se jako jednolitá hmota. Když se do této hmoty střelí laserem a je v nich uchováno světlo, které se do těchto atomů předtím „otisklo“, opustí je. Tento otisk se mezi podchlazenými shluky atomů pohybuje podobně jako vlna. Z jednoho mračna atomů se takový otisk světla ve formě vlny do druhého mračna šíří rychlostí okolo 200 m za hodinu. Toto vlnění hmoty je schopno překonat i určitou vzdálenost mezi jednotlivými mračny. Jakmile ale vlna vstoupí do sousedního mračna atomů, Hau z něj dokáže toto světlo zase získat zpět. Kdyby vám před nějakou dobou někdo řekl, že lze přenést světlo z jednoho místa na druhé „potmě“, věřili byste tomu? A přece je tomu tak. Světlo se ve vakuu mezi podchlazenými atomy přenáší ve formě neviditelné vlny. Vlna se hmotou šíří dokud není zastavena. Zastavit ji už umíme oním zmíněným výbojem laseru. Pokud se laserem z vlnících se atomů „vyšťouchne“, zjeví se nám zase v celé své původní kráse. Neskutečný objem dat, v neviditelné formě a v neskonale malém prostoru. Světlo, které je neviditelné, je schopno uchovat neskutečně velký objem informací. To všechno jsou věci jak vystřižené ze sci-fi. Je to však realita. Kdy ale začneme tyto poznatky využívat v praxi, je těžké odhadnout. Ale jakmile se tak stane, změní to všechno, s čím jsme nyní obeznámeni, a co jsme schopni svými představami obsáhnout. Tak například nebude třeba po zeměkouli vést tolik různých vedení a drátů. Místo přenosu informací optickými kabely do krabiček plných elektronických čipů se neporušená a zabezpečená data budou odečítat přímo ze světla. Shluky chladných atomů, které autorka v laboratoři vytvořila a které jsou pro využívání této technologie potřeba, byly velké pouze desetinu milimetru. I když jsou tak malé, je třeba je uchovávat v podchlazeném stavu. Ne každá domácnost, kancelář či továrna má možnost si dnes takové prostředí vytvořit. Vědkyně je ale přesvědčena, že to je řešitelné a že k tomu dojde. To ale také znamená, že zařízení budoucnosti budou vypadat zcela jinak než ta, na které jsme dnes zvyklí. Podle Hau není žádné „možná“. Je si chladně jistá v tom, že sítě využívající komunikaci na principu přeměny světla ve hmotu a zpět budou na pořadu dne. Stejně jako využití tohoto jevu v uchování a kódování informací, vzniku mnohonásobně výkonnějších řídících systémů nepatrných rozměrů, které budou pracovat s obrovským množstvím dat. To všechno se stane součástí každodenního lidského života. Z nedostatku představivosti o takovém způsobu života s tím nemusíme souhlasit. Ale nevěřte tomu, kdo pokořil světlo, převedl jej do hmoty a tu pak zase transformoval zpátky na světlo?

*Elektromagnetická interakce: Působí jen na částice s elektrickým nábojem (elektrony, protony, nabité piony…). Interakce má nekonečný dosah, působí i na velké vzdálenosti. Slabá interakce: Působí na leptony i hadrony. Zodpovídá za relativně pomalé rozpady částic (například β rozpad neutronu, rozpad mionu). Jde o interakci krátkého dosahu do vzdáleností přibližně 10^-17 m. Silná interakce: Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony; sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Jde opět o interakci krátkého dosahu do vzdáleností srovnatelných s rozměry atomového jádra, tj. 10^-15 m. Gravitační interakce: Působí na všechny částice bez rozdílu, má nekonečný dosah. Odpovídá za strukturu Vesmíru (pohyby planet, soudržnost galaxií, částečně za vývoj Vesmíru).

*Fyzikální realitou se stalo tzv. fyzikální vakuum, které nejenže vyplňuje celý vesmír, ale i prostor uvnitř atomových jader. A na tento, dá se říci velice jemný éter, mohou působit i velice slabé síly.

*Elektrony jsou elementární částice. Jak praví současný fyzikální kánon, jsou nedělitelné a vůbec nerozbitné. Teď se ale ukazuje, že kvantový stav elektronu – jeho vlnová funkce, se může rozdělit na vícero částí a uvíznout uvnitř bublin v kapalném heliu. Nejen, že je to šílené, má to i své důsledky pro beztak už podivnou kvantovou mechaniku.

*Čtenáři OSLA jsou jistě důvěrně seznámeni s EPR (Einstein-Podolský-Rosen) paradoxem, který se ve kvantové mechanice projevuje jako kvantové provázání, čili entanglement. Je to jako kouzlo. Když jsou nějaké systémy kvantově provázány, tak se změna jednoho systému podle všeho okamžitě projeví na druhém systému, bez ohledu na jejich vzdálenost. Takovému působení se říká nelokální. Einstein kvůli němu špatně spal a říkával mu „strašidelné působení na dálku“. Nedávná studie publikovaná časopisem Nature Physics potvrzuje teoretické předpoklady, že Einsteinovo strašidelné působení na dálku je možné vyvolat i v soustavě tří a nejspíš i více systémů.

*Bifurkace je označení pro bod zvratu na vývojové linii, kdy v důsledku nerovnováhy negativních a pozitivních zpětných vazeb dojde k rozdělení trajektorie vývoje původní kvality v několik nových struktur, které se kvalitativně liší.

***

Začínali jsme patafyzikou, takže i závěr musí být logicky patafyzický. A také bombastický! Jde o takzvanou Sokalovu aféru.

Nejdříve uvedu dva krátké výňatky ze Sokalova článku:

*Obecná teorie relativity nám vnucuje radikálně nové a protiintuitivní pojetí prostoru, času a kauzality; takže není překvapující, že má velký vliv nejenom na přírodovědu, ale i na filosofii, literární kritiku a humanitní vědy. Například před třemi desetiletími, na slavném sympoziu… šla Derridova vnímavá odpověď k jádru klasické obecné relativity: „Einsteinovská konstanta není konstantou, není středem. Je samotným pojmem proměnlivosti – je, nakonec, pojmem hry. Jinými slovy, není pojmem něčeho – středu, z něhož by mohl pozorovatel vyjít ke zvládnutí pole -, ale samotným pojmem hry.“ Vyjádřeno v matematických termínech, Derridovo pozorování se vztahuje k invarianci Einsteinovy rovnice pole při nelineárních prostoročasových diffeomorfismech (zobrazeních nelineární časoprostorové mnohosti na sebe samu, která jsou nekonečně diferencovatelná, avšak nikoli nutně analytická). Základním bodem je to, že se tato invarianční grupa „chová tranzitivně“, to znamená, že každý časoprostorový bod, pokud vůbec existuje, muže být transformován na kterýkoli jiný. Tímto způsobem tato nekonečně dimenzionální invarianční grupa eroduje rozlišení mezi pozorovatelem a pozorovaným.

*Poznáváme pouze uskutečněný podíl přírody, kdežto podíl možnosti zůstává skryt. Toto dominující postavení uskutečněných rysů přírody vedlo ve vědeckém bádání až příliš často ke snaze vybudovat přírodu výhradně z prvku uskutečněných. Atom se totiž choval zásadně nespojitě. Atom musel přejít ze stavu K do stavu L, a každý stav je třeba chápat jako určitý stupeň uskutečnění. Takový přechod sám o sobě však je něco, co se fyzice úplně vymyká z dosavadních představ spojitých změn a procesu. Nelze jej sestrojovat jako řadu uskutečněných stavů, kterých by byl nekonečně velký počet, a které by se postupně od sebe lišily jen o nepozorovatelně malou odchylku. Každá změna energie atomu je výsledkem úplného přechodu mezi jeho dvěma stacionárními stavy. Ukázalo se přitom, že v rámci deterministického popisu (rozuměj dynamického determinismu klasické fyziky) nelze žádným způsobem objasnit nedělitelnost přechodových procesu, ani samotný jejich vznik za daných podmínek. Kvantová fyzika to uznala a nevyslovuje se prostě o tom, co se děje mezi stavem K a L. A také hned z počátku se objevila tendence, zásadně vymýtit jakýkoliv most mezi oběma stavy a dát této osamocenosti – individuálnosti dvou takových uskutečnění výraz i matematickou formou. Tou byla právě maticová kvantová mechanika W. Heisenberga, kterou byla vytýčena skutečnost diskontinua v přírodě. Každý atomární proces má svůj zvláštní individuální charakter, a tento objev vyvolat tak radikální změnu v našich názorech na popis přírody, že dokonce i princip příčinnosti (rozuměj ve smyslu klasické fyziky), který se až dosud pokládal za nezměnitelný základ pro veškerá pojednání o přírodních jevech, se ukázal být příliš úzkým na to, aby zahrnul svérázné zákonitosti, kterými se řídí individuální atomové procesy. Jen existence kvanta účinku zamezuje, aby se v atomu elektron spojil s atomovým jádrem do neutrální částice o prakticky nekonečně malém rozměru!

***

Tak to byl text z anglické provenience. Tož také něco i od nás, z Čech a konkrétně z Prahy a přímo z Karlovy univerzity:

*U nás přichází se svérázným pojetím „subjektivní ontologie“ prof. Z. Neubauer, když svévolně modifikuje Bohrovy i Heisenbergovy základní předpoklady v jejich kodaňském výkladu. Ve stati „Zánik substance a problematika objektivní ontologie“ v Novém Areopágu píše: „Teprve věda dvacátého století ve svých špičkových formách teoretické fyziky na sobě bezprostředně zakusila, že toto bytí bez předpokladu je zároveň bytím bez základu. Poznatky z oboru fyziky elementárních částic postupně vedly vědce k opuštění pojmu substance.“(!) Tato historie souvisí dle Neubauera s Heisenbergovým principem neurčitosti a s Bohrovým pojmem komplementarity: „Ukázalo se navíc, že elementárním částicím nutno připsat jak povahu korpuskulární, tak povahu vlnovou…. Oba způsoby projevu se však vzájemně vylučují a jsou na sebe nepřevoditelné: nejde tedy o dvě stránky nějaké jedné povahy, jež by představovala objektivní o sobě jsoucí pendant obou svých různých projevů.“ A v tomto bodě se právě Neubauer fatálně odlišuje od názoru Bohrových, které cituje Heisenberg v Části a celku. Bohr zde právě naopak argumentuje takto: „Neustále se přece říká, že kvantová teorie je neuspokojivá, protože umožňuje jen dualistický popis přírody komplementárními pojmy vlna a částice. Kdo skutečně kvantové teorii porozuměl, už by vůbec nepřišel na myšlenku, aby zde hovořil o dualismu. Bude chápat teorii jako jednotný popis atomárních dějů, který pouze tehdy, když je při experimentu převáděn do přirozeného jazyka, může vypadat opravdu nejasně.“ Tyto věci je možno přiblížit ve zjednodušujícím případě analogií s házením kostkou. To, co je skutečné, faktické, je zde výsledkem každého jednotlivého hodu, který můžeme chápat jako analogii k procesu „měření“. Každý výsledek jednotlivého hodu tudíž obsahuje samozřejmě „subjektivní“ prvek. „Objektivní“ je ovšem to, že jako výsledek nemůžeme dostat jiné hodnoty, než od jedničky po šestku, nikdy ne sedmičku ani nulu! A podobná situace nastává u pravděpodobnostní vlnové funkce ve kvantové fyzice. V procesu měření dochází k přechodu od možného ke skutečnému, provázenému kolapsem vlnové funkce, jehož výsledkem je stav, který je jednoznačně popsatelný jazykem klasické fyziky.

***

Je potřeba uvést také něco z české kuchyně okultistů, zabývajících se „výzkumem paranormálních jevu“. V „Zákonitostech transcendentna“ (pojednání od doc. RNDr. I. Chudáčka, DrSc., bez udání autorství) se můžeme setkat s následujícím fantazijním textem, jenž se také blouznivě odvolává na kvantovou mechaniku: „Souhlasíme s Kafkovou hypotézou, že zároveň s tělem, podvědomím a vědomím obsahuje lidský organismus ještě nadvědomí, neboli astrální tělo. Je to ta část duše, která interaguje s okolním materiálním světem, a především s lidským tělem a jeho vědomím a podvědomím. Vytváří takzvané astrální tělo (astrální dvojník, transcendentní část kvantové mechanického těla), které je svým fluodem (?) přítomno v každé buňce materielního těla a také těsně kolem povrchu těla vytváří několik milimetrů silnou vrstvu pod ódickou aurou. Ta, jak známo, má tloušťku až stonásobnou.“ (!) Co říci nakonec k těmto tragikomickým názorům? Je možno jen doufat, že podobné fantazie zůstanou omezeny pouze na úzký kruh „spřízněných blouznivců“, a že se nakonec ve veřejnosti prosadí střízlivá vědecká věcnost, jejímž eminentním představitelem je například anglický astrofyzik Stehen Hawking, který napsal: „Avšak úplně zavrhuji myšlenku, že existuje nějaký fyzikální proces, který odpovídá redukci vlnové funkce, nebo který má cokoliv společného s kvantovou gravitací či s vědomím. To mi zní jako magie, nikoliv jako věda.“

***

Tož tak. A protože se necítím k výše zveřejněným úryvkům něco dodat, nejsem k tomu navíc kompetentní, nezbývá mi nic jiného, než citovat z Wikipedie, která uvádí toto: Takzvaná Sokalova aféra začala žertem, který si Alan Sokal, profesor fyziky na New York University, udělal svým parodickým pseudofilozofickým článkem z redakce a čtenářů časopisu se zaměřením na kulturální studia. V roce 1996 uveřejnil Sokal v jarním/letním čísle časopisu Social Text vydávaném Duke University Press (Duke University) v Severní Karolíně (USA) rozsáhlý článek s názvem Transgressing the Boundaries: Towards a Transformative Hermeneutics of Quantum Gravity (Překračování hranic: k transformativní hermeneutice kvantové gravitace) jako experiment, který měl ukázat, jestli prestižní časopis uveřejní článek „vydatně opepřený nesmysly, pokud (a) působí seriózně a (b) je v souladu s ideologickými předsudky redakce.“ Zhruba ve stejném čase Sokal v článku A Physicist Experiment with Cultural Studies publikovaném v časopise Lingua Franca (květen/duben) svůj podvod odhalil.

Alan Sokal patří mezi zastánce tzv. „tvrdého“ pojetí vědy. Jeho článek se navenek prezentuje jako teoretický esej, jehož šíře záběru je obdivuhodná a má všechny atributy vyžadované postmodernistickou literární teorií, vycházející ze sociálního konstruktivismu. Na první pohled vůbec nepůsobí neseriózně. Je napsaný typickým akademickým stylem, lehce arogantním a rozvláčným a je doplněný o velké množství citací (Derrida, Lacan, Latour, Woolgar, Kuhn, Lyotard, Morin, Einstein, Bohr a další). Skutečným sporným bodem článku je ale jeho obsah. Autor v něm dochází k závěru, že současný vývoj teorie kvantové gravitace jasně vytyčuje směr k budoucnosti, ve které budou lidé „osvobozeni od tyranie absolutní pravdy a objektivní reality“. Řečeno jinak, Sokal v článku argumentuje, že tradiční teorie gravitace byla jenom kapitalistickou fikcí a její neopodstatněnost ukazuje socialistická/relativistická/feministická teorie kvantové gravitace.

Když se na článek zaměříme více a hlouběji, zjistíme, že tento text záměrně postrádá logický smysl. Smysl sice chybí, text je ovšem napsaný aktuálním filozoficko-analyticko-sociologickým žargonem, a tak před sebou máme text, který má všechny atributy postmoderních literárních teorií. Hlavní je, že vychází ze sociálního konstruktivismu, poplatného americkému univerzitnímu prostředí. V článku uveřejněném v časopisu Lingua Franca, ve kterém se přiznává k podvodu, primárně obviňuje redakční radu časopisu Social Text z neschopnosti odhalit, že se jedná o parodii a prohlašuje, že „jakýkoliv kompetentní matematik nebo fyzik by pochopil, že se jedná o vtip“. Přímo je viní z intelektuální arogance a dokazuje to právě na faktu, že článek přijali bez jakékoliv konzultace s poučenými odborníky. Na svoji obranu redaktoři uvedli, že článek považovali za „vážný pokus profesionálního vědce hledat podporu pro výzkum ve své oblasti v postmoderní filozofii“ a „jeho charakter parodie v ničem neovlivnil náš zájem o tento článek jako o symptomatický dokument“, přičemž obvinili Sokala z neetického chování.

Sokal chtěl svou parodií na současné filozofické texty ukázat v první řadě na to, že část humanitních vědců ovládla intelektuální lenost natolik, že nejsou více schopní prohlédnout skrze mlhu svých vlastních myšlenek a chybí jim tak minimální schopnost odlišit to podstatné od úplného blábolu. Sokalova práce je napsaná aktuálním filozoficko-analyticko-sociologickým žargonem. Právě ten je také předmětem jeho kritiky. Autoři podle něj často píší vágně, frázovitě, zmateně a nejednoznačně. Nadměrně používají metafory, převažuje citování autorit namísto toho, aby byly poskytnuty logické důkazy, zmateně používají a nadužívají odborné termíny i běžná slova. V článku Transgressing the Boundaries: An Afterword charakterizuje Sokal svůj žert následovně: „Stejně jako žánr, který měl být ironizován – tisíce příkladů z něj lze najít v mé bibliografii – je můj článek směskou pravd, polo-pravd, čtvrt-pravd, lží, nelogičností a syntakticky správných vět, které ale nemají žádný smysl.“

Alan Sokal kritizuje skutečnost, že právě nyní více než jindy existuje povrchní a ledabylé myšlení, popírající objektivní realitu. A že toto „subjektivistické“ myšlení je velmi rozšířené v intelektuálních a politických kruzích. Sokal tvrdí, že jsou to právě akademici, kteří pohrdají kritikou z vnějšku. Odmítá názor některých postmoderně a poststrukturalisticky orientovaných humanitních autorů a myšlenky typu „vědecké pravdy nemají vyšší epistemologickou hodnotu než jakékoliv jiné narace, jsou pouhými sociálními a lingvistickými konstrukcemi atp.“. Podobné postoje považuje přímo za útok na normativní koncepci vědeckého bádání o světě.

Tyto všechny nedostatky, které byly zmíněny, ale autorovi nevadí tolik jako proklamovaná příslušnost tvůrců oněch pojednání k levici. Jeho hlavní cíl při psaní parodie byl totiž politický – bojovat proti subjektivismu v levici. Sokal se hlásí k americké levici, ale protestuje proti praktikám, které do ní vnáší mnozí současní poststrukturalističtí, postmoderní, feminističtí a jiní badatelé. Sokal tvrdí: „Mým účelem nebylo obránit vědu před barbarskými hordami literárních kritiků. Přesněji řečeno, je můj zájem spíše politický, a to bojovat proti módnímu postmodernímu/poststrukturalistickému/sociálněkonstruktivistickému diskurzu – a obecně proti těm, kdo mají sklon k subjektivismu – který, jak věřím, škodí hodnotám a budoucnosti Levice.“

Odezva: Sokalův článek a autorovo následné sebeodhalení vyvolalo vlnu zájmu ze strany jak amerických, tak francouzských filozofů, sociologů i přírodovědců, který přerostl akademickou půdu a zasáhl i do mainstreamových médií (viz např. reakci Stanleyho Fishe 21. května 1996 v New York Times nebo Bruna Latoura 18. ledna 1997 v Le Monde). Odpůrci si o Sokalovi myslí, že je po filozofické stránce naivní, pokud věří v rozum, logiku a pravdu. Jeho odpůrci stejně tak Sokalovi vyčítají, že nemá dostatečné znalosti v oblasti, kterou kritizuje, a proto jeho kritika vyznívá do prázdna. Příznivci naopak naznačují, že se mu podařilo poukázat na absurdity sociálního konstruktivismu, pokud je používán v souvislosti s přírodními vědami a upozornit na to, že některé způsoby filozofování vedou ke stírání hranice mezi smysluplnou řečí a blábolem. Sokalovi se tak podařilo názorně demonstrovat, nakolik jsme často náchylní nekriticky přijímat myšlenky, které podporují naše stanovisko.

Sokalův článek není prvním ani posledním zdařilým pokusem o literární mystifikaci čtenářů. Pozoruhodná a záslužná je radikální forma, kterou Sokal vystoupil proti bezobsažné, ale svůdné rétorice, která se vydává za vědu (poněkud tím připomíná SISYFA při udílení „Bludných balvanů“). Ukázal, jak neracionálně a nekriticky uvažují mnozí vědci z humanitní oblasti. Vlastně je tím také zesměšnil, což ovšem vyvolalo kritické námitky z hlediska etiky. Teprve touto následnou mediální diskusí dostala záležitost charakter „aféry“.

***

Higgsův boson v datech LHC. Kredit: CERN