Éterová teorie a kvarkový model částic

pondělí 4. leden 2010 05:52

Kvarky jsou podle standardního modelu částicové fyziky elementární částice, ze kterých se skládají částice těžší než elektrony. Kvarkový model elementárních částic navrhli nezávisle na sobě Murray Gell-Mann a G. Zweig v roce 1964, v současné době rozlišujeme šest druhů kvarků. Fakt, že kvarky dosud nebyly ve volném stavu pozorovány představuje pro fyziky problém a přirovnávají použití kvarků v teoriích k lešení, které se použije při stavbě domku, ale nakonec není vidět. Samotný Gell-Mann je přirovnával ke způsobu, kterým se ve francouzské kuchyni peče bažant: kousek bažanta se vloží mezi plátky telecího a peče se, dokud nepustí šťávu - a pak se telecí vyhodí.

Podle éterové teorie vakuum tvoří velmi hustý plyn nebo velmi pružnou kapalinu, či spíše směs obou (tj. pěnu). Za normálních podmínek se tomuto modelu nejvíce blíží silně stlačené páry kapalin v tzv. superkritickém stavu. Při dostatečném tlaku mají tyto páry tak velkou hustotu, že se blíží vlastnostem kapalin, mají např. velkou setrvačnost a velmi snadno se s kapalinou mísí. Přesto však stále zůstávají docela pružné, jako plyny a připomínají pudink nebo želé. Fluktuace hustoty takové kapaliny jsou velice výrazné a svým vzhledem připomínají houbu nebo pohyblivou pěnu. Pokud vám představa takového systému dělá potíže, zkuste se zamyslet, jak se asi budou chovat fluktuace nějakého extrémně hustého prostředí, třeba v plasmě uvnitř neutronové hvězdy, jejíž jediná kapka váží stotisíce tun. Síly povrchového napětí, které dávají kapkám rtuti kulatý tvar budou v tak husté hmotě její částice drtit dohromady a dávat jim zcela nové vlastnosti. I nepatrná fluktuace hustoty zde bude na své okolí působit gravitací, budou se zde projevovat setrvačné, stínící a jiné jevy, které v lehkých tekutinách nepozorujeme, neboť se projevují jen nevýrazně.

Přesto i v pozemských podmínkách může superkritická kapalina v úzkém rozpětí teplot zkondenzovat do stavu, kdy se fluktuace hustoty stanou tak zřetelné, že se začnou chovat jako samostatné částice a vytvoří nové tekuté skupenství se samostatnou hladinou. Fluktuace hustoty mají v takovém prostředí vzhled fraktální pěny nebo houby, která je sama vyplněna dalšími fluktuacemi. Takový systém je z hlediska šíření energie je významný tím, že se skrz něj energie šíří tím nejpomalejším možným způsobem. Vlny energie se šíří po membránách pěny podobně jako vlny na hladině, které jsou podstatně pomalejší a intenzívnější, než vlny zvuku pod hladinou. Relativní pomalosti šíření energie v takovém prostředí vděčíme tomu, že je pro nás vesmír tak velký, resp. toto uspořádání přisuzujeme vakuu proto, protože v něm dohlédneme nejdále. Lze to přirovnat pozorování volného prostoru v lese s náhodně rozmístěnými stromy - směrem do dálky volného prostoru ubývá, takže se nám zdá, že prostor s časem expanduje. Volný prostor má pak voštinovitou strukturu právě proto, že jím snažíme dohlédnout co nejdále a náhodné stromy ignorujeme - zatímco z pohledu shora (tj. z perspektivy vyšších dimenzí) bychom viděli, že žádná taková struktura přitom v lese není.

 

V éterové teorii tedy v roli částic vystupují vírové fluktuace hustoty vyplňující vakuum. Lze je přirovnat k vírovým kroužkům, které kuřáci vyfukují pomocí dýmu z cigarety. Delfíni pod vodou dokážou vyfukovat i kroužky z bublin, které v tomto příměru odpovídají antičásticím. A kvarky jsou jakési elementy, na které lze tyto vírové fluktuace rozebrat - ovšem jen formálně, geometricky. V důsledku svého zakřivení ve všech třech směrech každý elementární vír musí při svém pohybu vykazovat ve všech třech směrech setrvačnost jako běžná částice. Můžeme si jej proto představit jako krátkou strunu nebo drát,  který ohneme v oblouku v pravém úhlu. Pak náš výtvor otočíme o 90° tak, aby se nám jevil opět jako přímka a opět jej uprostřed ohneme v pravém úhlu v rovině kolmé na směr pohledu. Výsledkem jsou zakroucené kličky - kvarky, ze kterých lze sestavovat prostorové víry nejrůznějších tvarů.  Turbulentní stlačitelná kapalina je podobných fluktuací plná, jsou zde ovšem jen velmi slabě naznačeny a rychle se spojují a rozpadají. Tomu odpovídají ve fyzice částic tzv. virtuální kvarky, které vyplňují vakuum. Protože pěna třepáním houstne, v okolí vířících částic je vakuová pěna zahuštěna (říkáme, že časoprostor je zde zkompaktifikován) a každá elementární částice je obklopená vrstvou virtuálních kvarků jako kožichem.

Při vyšší hustotě energie se drobné víry propojují do uzavřených smyček a vznikají z nich složitější útvary, spojené povrchovým napětím jako malé rtuťové kapky. Těmto kvarkům se říká vazebné, a jsou to právě ty kvarky v běžném smyslu slova, které se vyskytují uvnitř částic. Nejstabilnější jsou dvoukvarkové mesony a tříkvarkové částice, kterým se také říká baryony.  Vzájemným spojováním hmotnost částice vzroste o vazebnou energii, proto je hmotnost každé takové částice větší, než prostý součet hmotností kvarků, které ji tvoří. Ovšem uzavřenou smyčku lze ze dvou spirál složit pouze tehdy, pokud jedna z nich bude vykazovat zrcadlovou symetrii, bude tedy tvořena anti-kvarkem. Na animaci vlevo je příklad mezonu vzniklého spojením kvarku s nábojem 1/3 a opačně vířícího antikvarku s nábojem 2/3. Antikvark je menší a těžší, proto jej větší kvark současně obíhá jako měsíc planetu. Obrácený směr rotace v antikvarku způsobuje, že výsledný spin pionu se vyruší a prostředím atomového jádra takové útvary putují jako vlny, které se prostupují bez odporu, čili jako bosony. Z tohoto důvodu byly mezony dlouho považovány za částice, zprostředkovávající jaderné interakce - teprve další výzkum prokázal, že mají složenou strukturu. Vzájemné vyrušení spinů znamená, že taková částice je nestálá a má tendenci rozpadat (kvarky anihilují), jakmile částice opustí husté prostředí atomového jádra. Můžeme to přirovnat k rozpadu sluneční skvrny, která je také tvořena dvojicí protiběžných vírů, jakmile by měla opustit povrch Slunce - magnetické pole řídký vír plasmy nestačí udržet a ten se rozpadne za vzniku sluneční erupce. Mezonů je několik druhů, ale i ten nejstabilnější z nich rozpad jádra přežije jen zlomek mikrosekundy. 

Stabilnější uzavřené víry nevyžadují použití antikvarků, pokud je sestavíme z trojic kvarků. Na animaci vpravo je znázorněn schematický vznik protonu a neutronu ze tři kvarků (tzv. up-kvark s elektrickým nábojem +2/3 a s hmotností 1.5–3.3 MeV/c2 a down-kvark s nábojem -1/3 elektronu a hmotností 3.5–6.0 MeV/c2). Neutron obsahuje dva down-kvarky a jeden up-kvark, u protonu je tomu právě naopak. Ze schématu je zřejmé, proč samostatné kvarky nemají celočíselný náboj, ale právě jedno-  či dvoutřetinový a proč nemají ani experimentální význam jako volné částice, jelikož netvoří uzavřené víry, ačkoliv z hlediska geometrie koncept kvarků dává smysl. Tvoří zákruty na vírových smyčkách, tj. místa s tak velkým zakřivením časoprostoru, že se chovají jako hmotné objekty.

Například se v nitru neutronu se kvarky vzájemně obíhají jako gravitující tělesa a tvoří tzv. Efimovy trimery, které lze pozorovat i v silně ochlazené plasmě za přitomnosti silných magnetických polí. Kvarky s nábojem -1/3  jsou poněkud těžší a soustřeďují se přitom u středu této gravitační soustavy. V důsledku toho existuje vně i uprostřed neutronu přebytek záporného náboje, zatímco u protonu, kde je konfigurace kvarků opačná je tomu právě naopak. V atomovém jádru jsou na sebe protony a neutrony povrchovým napětím namačkány tak, že se kvarky různých typů stávají vzájemně propojeny jako víry v turbulentní kapalině. Přesto se i zde zřetelně projevuje tendence k přednostní tvorbě párů, podobně jako u vírů v supratekutém heliu nebo elektronů v supravodičích. 

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


VSHeaKfQuwlLFXjuWIsUMfOflCN16:179.7.2011 16:17:25
NZHYJbdlReeRsYrjQOUmyjcmTBiccZU07:299.7.2011 7:29:33
PetrikExistuje eter ako nosne medium02:246.1.2010 2:24:58
Alexander CassoviaKto má pravdu 3?15:335.1.2010 15:33:56
Alexander CassoviaKto má pravdu 2?15:305.1.2010 15:30:03
Alexander CassoviaKto má pravdu 1?15:285.1.2010 15:28:28
AborexRe: Jsem zklamán14:405.1.2010 14:40:34
123456Jsem zklamán13:285.1.2010 13:28:32
PetrikRe: citace, trochu upravená12:375.1.2010 12:37:30
aborexPodakovanie11:115.1.2010 11:11:58
Navrátil Josefnespokojenost09:465.1.2010 9:46:12
PetrikVy znáte toho pana Petra Milánka01:295.1.2010 1:29:08
Navrátil Josefproč, logicky proč22:484.1.2010 22:48:47
Petr MilánekDěkuji za odpověď19:334.1.2010 19:33:40
PetrikÉterová teorie a éter13:544.1.2010 13:54:52
Petr MilánekKterá éterová teorie?12:174.1.2010 12:17:29

Počet příspěvků: 20, poslední 9.7.2011 16:17:25 Zobrazuji posledních 20 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik