Narušení symetrie, aneb vypadá vesmír jako hruška?

neděle 17. leden 2010 15:30

Narušení symetrie je v běžném životě zcela obvyklé a běžné, ale v mikroměřítku, kde všechny jevy probíhají vratně by měly přírodní zákony nabývat symetrickou povahu. Při srážkách částic v urychlovačích vznikají husté nestabilní útvary, které se rozpadají nepravidelně v důsledku nesymetrické geometrie srážek. Ale čím je energie srážky větší, tím je vzniklý chomáč částic hustší. Takový oblak plasmy je stabilizován svým povrchovým napětím jako malá rotující kapka a rozpadá se symetricky jako malá neutronová hvězda sprškami částic a gamma záření (tzv. jety), vyzařovanými v osách rotace.

Jety obvykle svírají tupý úhel v důsledku zachování momentu setrvačnosti, ale čím je energie srážky vyšší, tím více se uplatňuje povrchové napětí a jety směřují přibližně v protilehlých směrech bez ohledu na původní geometrii srážky. Je to jeden z důkazů vzniku husté kapky kvarkgluonové plasmy, vzniklé v místě srážky a jejího rozpadu řízeném místo setrvačnosti silami povrchového napětí. Při srážkách s energií nad 1 TeV se však začíná projevovat zvláštní věc: jeden z jetů je vždy menší a s rostoucí energií kolize postupně zaniká. Fyzici to vysvětlují rozptylem jednoho z jetů v kapalině kvarkgluonové plasmy, která se chová pro jety jako malý, silně zakřivený časoprostor.

Éterová teorie interpretuje narušení symetrie následovně: pěna éterových fluktuací má za běžných podmínek charakter pěny, asi jako když protřepeme šampón v lahvičce a necháme pěnu ustát. Částice se touto pěnou šíří jako vlny po gradientu hustoty vodní hladiny, každá membrána pěny je však tvořena dvěma povrchy se dvěma gradienty hustoty směřujícími proti sobě. Zatímco částice běžné hmoty se šíří po vnitřním povrchu membrán, částice antihmoty preferují povrchy vnější. Ve vakuu je éterová pěna velmi řídká a oba povrchy jsou prakticky rovnoběžné, na povrchu husté hmoty nebo částic tomu však zdaleka tak není. Zde jsou bubliny kvantové pěny poměrně malé, kulaté jako bubliny pěny na dně lahvičky a částice hmoty a antihmoty se jimi šíří po různé dráze. Částice antihmoty jsou také pěnou rozptylovány více a proto ve vzniklém jetu chybí.

Uvedené narušení symetrie se projevuje teprve při vysokých hustotách energie nebo hmoty na povrchu elementárních částic, atomových jader nebo hustých hvězd. U radioaktivních atomů se projevuje tím, že atomy vyzařují radioaktivní částice v jednom převažujícím směru. Toto chování však není snadné pozorovat, protože atomy sebou za pokojové teploty neustále vrtí a otáčejí se na všechny strany. Je tedy nutné je nejprve zorientovat silným magnetickým polem a následně ochladit na velmi nízké teploty, aby se jejich asymetrie projevila.

Historicky první experimentální důkaz narušení symetrie podala v roce 1956 pracovitá číňanka Chien-Shiung Wu na tenké vrstvičce radioaktivního kobaltu Co 60 nanesené na paramagnetickém krystalku dusičnanu gadolinia po jeho ochlazení heliem v magnetickém poli. Při vypnutí magnetického pole se spiny atomů gadolinia samovolně dezorientují, na což spotřebovávají energii ze svého okolí (jde v podstatě o princip demagnetizační ledničky). V důsledku toho se atomy kobaltu prudce ochladí na teplotu několik miliontin stupňů nad absolutní nulou. Protože jsou současně zorientované magnetickým polem, na krátký okamžik rotují všechny stejným sněrem a přitom se rozpadají za uvolňování částic beta záření, tedy rychle letících elektronů. Přitom je možné pozorovat, že se tyto elektrony chovají jako jety při srážkách částic a v jednom směru vyzařují asi o 30% elektronů v jednom směru více, než ve směru opačném. Tento experiment byl ve své době řadou fyziků věřících v matematickou symetrii přírody přijímaný s velkou nedůvěrou - odmítal ho zpočátku i Feynman a řada formálních teorií, např. QCD jej nedokáže uspokojivě vysvětlit dodnes.

V astronomii se však narušení symetrie projevuje dosti běžně na jetech částic, vyzařovaných rotujícími hvězdami. Neutronové hvězdy můžeme považovat za jakási obří atomová jádra rotující v prostoru, na kterých můžeme narušení symetrie pozorovat takříkajíc "pouhým okem". Čím je jejich hustota vyšší, tím je vrcholový úhel jetu menší a jeden z jetů je současně potlačen ve prospěch částic normální hmoty. Částice antihmoty se hromadí naopak v rovině rotace v řídkém prstenci tzv. temné hmoty ve velmi rozptýleném stavu a je proto obtížné je detekovat. Velmi husté objekty (jako "černá díra" v galaxii M87 na obrázku vpravo) jsou tvořeny prakticky výhradně neutriny a vyzařují jen jediný jet sahající několik milionů světelných let do kosmického prostoru. Neutrina jsou totiž velmi malé a husté částice projevující se pouze slabou interakcí na velmi krátké vzdálenosti, ve kterých je symetrie časoprostoru narušena nejvíce.

Podle éterové teorie lze viditelný vesmír modelovat vnitřkem černé díry, resp. velmi husté hvězdy a proto by se na něm mělo narušení symetrie projevovat také. Mikrovlnné záření vesmír opouští převážně jedním směrem a vykazuje tzv. anizotropii, kdy se vesmír jeví jako teplejší v jednom směru, což se interpretuje jako pohyb lokální skupiny galaxií směrem k souhvězdí Virgo rychlostí asi 600 km/sec. Z pohledu zvenčí by náš vesmír vypadal jako obří slepenec bublin časoprostoru připomínající malinu, vyzařující jety na všechny strany. Jety, kterými náš vesmír vyzařuje energii do vnějšího vesmíru se projevují jako okénka, kterými lze vidět z našeho vesmíru ven do hyperprostoru vně našeho vesmíru. Pokud by náš vesmír byl zcela symetrický, mělo by být možné na obloze pozorovat dvojici nejchladnějších míst  v mikrovlnném pozadí vesmíru v protilehlých směrech oblohy - avšak v důsledku narušení symetrie je místo toho možné pozorovat pouze skvrnu jedinou.

V jistém měřítku vlastně celá hmota galaxie představuje řídký plyn částic zabržděných rozptylem na fluktuacích vakua, obklopující centrální černou díru v rovníkové oblasti. Jety černých děr jsou extrémní případy tzv. gravitačního zjasnění, které pozorujeme na pólech rychle rotujících velkých hvězd, jako je Altair nebo Regullus. Tyto hvězdy jsou rotací silně zploštěné a gravitace na jejich pólech je mnohem vyšší, než na rovníku. Plyn v rovnikové oblasti je méně stlačený, řidší a má tudíž nižší teplotu. V důsledku narušení symetrie bychom tudíž mohli pozorovat jeden z pólů takových hvězd více zakřivený a tedy chladnější, než druhý a tato asymetrie je vyvážena neviditelným prstencem temné hmoty v rovníkové rovině. V tomto ohledu není bez významu, že i tvar Země (kterou máme díky její bezprostřední blízkosti proměřenu nejlépe) má tvar hrušky s převýšením asi 40 metrů oproti přesnému elipsoidu.

Je zajímavé, že k tomu závěru došel už na konci patnáctého století Kryštof Kolumbus a  spočívala v tom jedna z jeho motivací pro hledání severozápadní cesty do Číny - domníval se, že tato cesta bude kratší - dnes je však zřejmé, že by si tak ušetřil jen několik vteřin plavby. Prstenec temné hmoty v okolí Země který tuto asymetrii vyvažuje se projevuje zvýšenou hustotou pozitronů a drobnými milisekundovými nepravidelnostmi oběhu satelitů v rovině kolmé na rovinu rovníku. Na rozdíl od Lens-Thirringova jevu který předpovídá teorie relativity však toto strhávání referenčního rámce není důsledkem gradientu gravitačního pole, ale všesměrové expanze časoprostoru a projevuje se mnohem slaběji - zato však na větších vzdálenostech.

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


wEpfpTMGqlixkopBcXwfNtOwSGuPYjEBI02:4825.7.2011 2:48:13
LpwYgkjubzkVyNnnzDHUBpGOucDBL01:4018.7.2011 1:40:43
HodtNduzrRKPRUqGN04:1813.7.2011 4:18:39
PetrikKonečný vesmír22:1117.1.2010 22:11:01
Tomáš JurčíkNekonečno20:2117.1.2010 20:21:53

Počet příspěvků: 5, poslední 25.7.2011 2:48:13 Zobrazuji posledních 5 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik