Omyly a lapsy fyziky 2 - současnost

středa 28. říjen 2009 14:03

Snaha současné fyziky o nejpřesnější možný popis reality občas připomíná pokusy dítěte chytit duhu nebo ji lze přirovnat k snaze zpozorovat průchod horizontem událostí při pádu do černé díry. Ačkoliv se takový horizont může jevit jako ostrá hranice, při přibližování objektu se před námi bude neustále rozevírat a ustupovat do podoby současného vesmíru - než si náhle uvědomíme, že leží za našimi zády. Problém fyziky není ani tak v tom, že se snaží dokázat nedokazatelné - ale v tom, že se řadou pokusů snaží dokázat jevy, které již dávno pozorovány byly v jiných souvislostech. A k dovršení všeho se některé experimenty snaží ignorovat, ba dokonce odfiltrovat to, co se pokouší pozorovat. Ano - i o tom je současná fyzika.

V tomto zdánlivě nesmyslném přístupu vynikají teoretici abstraktní a tudíž obzvlášť nesrozumitelné teorie strun, která je založena na kombinaci speciální teorie relativity a kvantové mechaniky. To by samo o sobě nemuselo být tak zlé, protože se tento přístup používá i v klasické teorii pole, které do kvantové mechaniky v 50. letech vnesl britský fyzik P.A.Dirac - jeho rovnice je relativistickou verzí klasické Schrodingerovy rovnice kvantové mechaniky. Ovšem strunová teorie do tohoto modelu (který je sám o sobě vnitřně nekonzistentní) vnesla nový prvek tzv. skrytých dimenzí časoprostoru. Ve své podstatě šlo o geniální krok, jehož význam pro současnou fyziku zůstal dodnes nedoceněn. Z pohledu strunové teorie samotné však přinesl problém v tom, že se tím stala nekonzistentní se speciální teorií relativity, podle které se světlo šíří časoprostorem pevnou rychlostí. Jakékoliv odchylky od standardního počtu dimenzí časoprostoru se projevují buďto narušením principu konstantní rychlosti světla z vnější perspektivy, nebo deformací časoprostoru z perspektivy vnitřní - tedy i běžné, dlouho známé jevy, jako je gravitační čočkování a relativistická aberace. 

Jádro pudla je v tom, že takto by se v časoprostoru měly projevovat právě jeho dodatečné dimenze. Je to analogické k různým projevům Brownova pohybu a strhávání vln na dvourozměrné hladině vody v důsledku jejich rozptylování a srážek molekul ve třetím rozměru pod vodní hladinou. Z hlediska přísně trojrozměrného časoprostoru by náš vesmír měl zůstat zcela prázdný, průhledný a plochý (nedeformovaný) - takže by v něm nemělo docházet k rozptylu a ohybu světla, natož tvorbě nějakých částic. Pokud k tomu přesto pravidelně dochází a časoprostor obsahuje šum, deformace a pozorovatelnou hmotu, je to právě projev dodatečných rozměrů časoprostoru. Deformace časoprostoru ovšem speciální teorie relativity popsat neumí, protože se jimi zabývá teprve obecná teorie relativity - takže se jimi nezabývá ani teorie strun. A to dělá chybu, protože jak mikroskopické fluktuace vakua, tak fluktuace temné hmoty jsou právě tím nejhmatatelnějším dokladem existence strun ve vakuu. Ovšem protože struny jsou v strunové teorii model částic, vakuum tvořené strunami by se tím stalo podobné vakuu tvořeném spinovými smyčkami jako ve smyčkové teorii LQG, popř. až ekvivalentní modelu éteru tvořeném částicemi - což jsou modely, na který jsou formálně uvažující strunaři obzvláště alergičtí.

V důsledku toho se strunoví teoretici už čtyřicet let systematicky pasou po důkazech jak strun, tak skrytých dimenzích časoprostoru, na kterých jejich teorie stojí a padá - ačkoliv je mají už od poloviny 50. let jako na talíři v podobě gravitačních čoček nebo mikrovlnného šumu vesmíru. Potíž je v tom, že tyto fluktuace narušují i průchod ostatních fotonů vakuem a tak narušují postulát o konstatní rychlosti světla - což se markantně projevuje především v případě fotonů vysoce energetického gamma záření, které se těmito fluktuacemi rozptylují nejvíce, jak bylo vysvětleno dříve. Strunová teorie tak spolu s důkazem extradimenzí dostává mimoděk i důkaz narušení jednoho z jejích základních postulátů. Nebylo by proto příliš divné, že by se touto souvislostí strunoví teoretici na veřejnosti nechlubili, i kdyby o ní věděli. Ale oni si ji zřejmě dodnes neuvědomují, protože jejich chápání extradimenzí se odvíjí zcela odlišnými cestami.

To ale samozřejmě není všechno. Strunoví teoretici dobře vědí, že přítomnost skrytých dimenzí by se měla projevit narušením zákonů sil, které platí právě pro trojrozměrný časoprostor (viz předchozí příspěvek). Patří sem například Newtonův zákon pro gravitační sílu a Coulombův zákon pro sílu elektromagnetickou. V obou případech pro trojrozměrný prostor platí, že tato síla musí klesat se čtvercem vzdálenosti od zdroje gravitace nebo elektrického náboje. Proto strunaři organizují například experimenty s gravitačními kyvadélky, pomocí kterých se snaží objevit narušení gravitačního zákona pro malé vzdálenosti. Ne však příliš malé, jelikož vědí, že na vzdálenostech pod jeden mikrometr chování kyvadel ovlivňuje různé elektrostatické a dipólové síly, mimo jiné tzv. Casimirova síla, která by výsledek experimentů ovlivňovala. Vtip je v tom, že Casimirova síla je právě projevem stínícího účinku mikrovlnného pozadí vesmíru, tedy právě těch skrytých dimenzí časoprostoru, které se strunaři snaží prokázat. V tomto případě si dokonce ve svých experimentech snaží vyvarovat právě té síly, kterou by se měli snažit objevit. A to už skutečně humorné je.

Podobná situace nastává v případě experimentů, snažících se dokázat narušení Coulombova zákona elektrostatických sil. Ani zde však strunová teorie nemůže uniknout železné logice fyzikálních zákonů. Narušení Coulombova zákona by totiž současně znamenalo, že by se elektromagnetická interakce přestala chovat jako interakce neomezeného dosahu. S tím je spojena nenulová klidová hmotnost výměnné částice této interakce, čili nenulová klidová hmotnost fotonu. A s nenulovou klidovou hmotností fotonu zase přestává platit postulát o konstantní rychlosti světla speciální teorie relativity - tedy jeden ze základních postulátů strunové teorie. Zkrátka a dobře, postuláty strunové teorie nejsou díky mikrovlnným fluktuacím vakua zcela konzistentní a důkaz jednoho se nutně projeví jako narušení druhého.

Z hlubšího pohledu obecné teorie relativity je tomu tak, že mikrovlnný šum vakua se projevuje drobnými deformacemi časoprostoru, v jejichž rámci konstantní rychlost světla zůstává zachována. Ovšem v makroskopickém pohledu tento postulát již splněn není, díky tomu se světlo deformovaným vakuem mezi elementárními částicemi láme a díky tomu můžeme existovat a pozorovat deformace vakua jako viditelnou hmotu. Jelikož kvantová teorie gravitace je založena na kombinaci kvantové mechaniky a obecné teorie relativity, jeví se z tohoto pohledu jako mladší a dokonalejší sestra strunové teorie, která by neměla trpět jejími neduhy.

Ovšem kvantová teorie gravitace na tom není o mnoho lépe, protože tyto mikroskopické fluktuace se současně projevují i narušením principu ekvivalence, na kterém pro změnu stojí obecná teorie relativity. Projevuje se to silami, které jsou úměrné průřezu, nikoliv setrvačnosti těles, jako je právě Casimirova síla. Narušením rovnic obecné teorie relativity na velkých vzdálenostech se pro změnu projevují efekty tzv. temné hmoty a energie, jako je tzv. anomální zpomalování sond Pioneer. To je problém, protože podle principu ekvivalence by měla každá setrvačná síla zůstat úměrná hmotnosti tělesa, stejně jako síla gravitační. V důsledku toho mají různé teorie kvantové gravitace, například tzv. smyčková teorie kvantové gravitace (LQG) s rozptylem fotonů na mikrovlnném pozadí vesmíru stejné problémy, jako strunová teorie - ačkoliv striktně vzato na mikroskopické, tedy přísně lokální úrovni platnost obou teorií zůstává splněna. Přísně logický matematický aparát moderních fyzikálních teorií se zkrátka tváří v tvář atemporálnímu, chaotickému pozadí vesmíru příliš nechytá.

Bohužel i další, mnohem starší klasické teorie narážejí na podobné problémy. Projevuje se to například rozpory v modelech gravitačních vln v obecné teorii relativity, podle které by se měly gravitační vlny vždy šířit rychlostí světla. Jenže v éterové teorii jsou gravitační vlny analogií zvukových vln, které se šíří napříč bublinami tvořící kvantovou pěnu vakua - tedy daleko vyšší rychlostí, než světlo. Na rozdíl od vln světla, které povrch bublin kvantové pěny poslušně sledují jsou gravitační vlny navíc zcela nevyzpytatelné a projevují se mikroskopickým šumem vakua, které se označuje jako mikrovlnné pozadí vesmíru. Protože však ve formálních teoriích kauzální spojení mezi mikro a makroměřítkem neexistuje, snaží se fyzici detekovat gravitační vlny právě tím, že usilovně odfiltrovávají ve svých detektorech šum způsobený mikrovlnným pozadím vesmíru a zbavují se tím ve svých experimentech právě toho, co by vlastně měli správně měli pozorovat. A že tyto experimenty nejsou nijak levné vyplývá už z toho, že příslušné laserové detektory zabírají celé pozemky a dokonce se uvažuje o jejich budování ve vesmíru.

Podobného lapsu nezůstal ušetřen ani největší a nejdražší fyzikální experiment lidské historie v ceně sedmi miliard Euro, projekt obřího urychlovače LHC (Large Hadron Collider) v Cernu. Zde ignorance současné fyziky nejenom přerůstá v monstrózní plýtvání prostředky na objev něčeho, co již ve skutečnosti pozorováno bylo - ale také v riziko, že v případě, že tyto experimenty budou úspěšné, vyhladí lidskou civilizaci ze sluneční soustavy i s planetou, na které byly provozovány. Experimenty LHC mají několik hlavních cílů, jedním z nich je dokázat existenci tzv. Higgsova bosonu a druhým teorii supersymetrie. Strunoví teoretici také doufají, že jim pomůže dokázat přítomnost skrytých dimenzí. Z teorie Higgsova bosonu vyplývá, že by se měl projevovat jako hypotetická hmotná částice deformacemi časoprostoru vzniklou šířením nejtěžších hmotných částic - tzv. top kvarků. Higgsův proces má mnoho formálních interpretací, ale v rámci éterové teorie si jej lze představit touto animací následovně:

V této animaci je Higgovým bosonem vlna tvořená dvojicí hmotných částic, která se při svém pohybu tzv. Higgsovým polem podléhají párování (Yukawa coupling) podobně jako elektrony v supravodičích (Yukawa coupling je zde analogie tvorby Cooperových párů). Takové dvojice částic již skutečně byly před několika lety pozorovány v urychlovači Tevatron v laboratoři FERMILAB a správně identifikovány jako dvojice tzv. top-kvarků s hmotou asi 173.1±1.3 GeV na základě produktů svého rozpadu. Ten - jak je tomu ve fyzice elementárních částic běžné - může probíhat několika způsoby, ale pro top-kvark je charakteristický mechanismus za vzniku dvou lehkých částic, tzv. leptonů: elektronu a pozitronu:

Tzv. dileptonový mechanismus top-kvarku

Pokud se ovšem o fyziku spojenou s experimentálním důkazem Higgsova bosonu začnete zajímat, neujde vám, že na základě přesně stejného mechanismu má probíhat i detekce Higgsova bosonu v urychlovači LHC. Dále se dovíte, že pro hmotnost Higgsova bosonu je v současné době očekávána hodnota v rozpětí 178.0 ± 4.3 GeV. Ona tedy popravdě řečeno teoreticky nijak dobře předpovídána není - ale dlouhodobé experimenty na starších urychlovačích postupně vyloučily všechny rozumné i méně rozumné modely Higgsova bosonu s vyšší i nižší hmotností.

Plánovaný důkaz vzniku Higgsova bosonu v LHC

Není tu něco zvláštní? Ano, souhlasí hmotnost i rozpadový mechanismus! Jinými slovy, LHC urychlovač je dvacet let budován pro ověření existence částice, která již byla před několika lety pozorována na vysloužilém, dvacet let starém urychlovači Tevatron - a dokonale tak naplňují význam rčení, podle kterého pod svícnem bývá největší tma. Je pak důvodem k dokončení LHC skutečně objev Higgsova bosonu - nebo jsou fyzici padlí na hlavu a nerozpoznají ani objev vyplývající z jejich vlastních teorií? Zde se dostáváme na pole spekulací, na které nelze odpovědět zcela jednoznačně. Vodítkem by mohl být předpokládaný objev supersymetrie, což je projev jakéhosi povrchového napětí pole. Z tohoto pohledu je Higgsův boson současně nejlehčí známou supersymetrickou částicí energie k nejtěžší známé částici hmoty, tj. top-kvarku. S klesající hmotností částic hmotnost supersymetrických částic roste a projevuje se jako odpudivá síla  povrchovým napětím její gravitace v případě, že nashromáždíme dostatečně vysoký počet částic do husté kapky.

Z éterové teorie vyplývá, že objev supersymetrie je však zároveň spojen s rizikem tvorby strangeletů, obřích částic, které se mohou explozívně spojovat s lehčími částicemi za vývoje velikého množství energie. V této souvislosti je zajímavé, že  na začátku 90. let minulého století byl v souvislosti s údajným nedostatkem prostředků předčasně zastaven velkorysý projekt tzv. supravodivého urychlovače SSC budovaného USA od poloviny 70. let v Arizoně. Podotkněme, že tento urychlovač měl dosahovat ještě vyšších energií, než v současné době dokončovaný LHC a rozhodnutí o zastavení jeho výstavby časově spadá právě do období ukončení tzv. studené války a rozpadu Sovětského Svazu, kdy Spojeným státům prostředky na podobný projekt nechyběly. Byl snad tento urychlovač od začátku budován jako prototyp zbraňového systému zcela nové generace, od jejíhož vývoje se upustilo proto, že by se mohl stát osudným i Spojeným státům samotným?

Zde se otvírá prostor pro opravdu široké interpretace - zatím se však zdá, že - podobně jako v případě skrytých dimenzí, narušení Lorentzovy symetrie a gravitačních vln, atd. - je výzkum Higgsova bosonu spíše důsledkem celkového nepochopení situace, než skryté konspirace - ačkoliv v konečném důsledku může být výsledek zcela podobný. Protože lidská hloupost - jak už tomu v životě bývá - se skutečně občas stává největším nepřítelem lidstva.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

Související články