Nobelova cena za fyziku: narušená symetrie

Nezasvěcenému by se mohlo zdát, že fyzikové dovedou jenom ničit. Jednou rozbijí atom, jindy zase naruší elegantní symetrii přírody. Právě za druhý počin dostali tři vědci letošní Nobelovu cenu za fyziku.

Proč ve vesmíru existuje něco spíše než nic? Proč hmotu tvoří tolik různých elementárních částic? A jak se přihodilo, že mají různou hmotnost? Na podobné otázky nabídli odpovědi letošní laureáti Nobelovy ceny, i když mnohé otázky na odpověď stále čekají.

Polovinu ceny získal Američan japonského původu Yoichiro Nambu, o druhou polovinu se rozdělili Japonci Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa.

Fyzikové znají několik druhů symetrie, které jsou pro pochopení podstaty vesmíru klíčové. Na mikroúrovni elementárních částic by například všechny jevy měly vypadat stejně, ať je sledujete v přímém přenosu, nebo si jejich záznam pustíte pozpátku. Zrovna tak by nemělo být možné rozlišit skutečný svět od jeho zrcadlového obrazu.

Podobné jevy se nám obtížně chápou, protože v našem "velkém" světě takové symetrie neplatí. V mikrosvětě však ano - až na malé výjimky. A právě kolem těchto narušení symetrie se točí letošní Nobelova cena za fyziku. Byla udělena za objevy staré několik desetiletí. Mnohaleté zpoždění dnes není ničím výjimečným. Může za to mimo jiné skutečnost, že potvrzení některých teorií trvá velmi dlouhou dobu. A ještě více času uplyne, než si vědecká komunita význam objevu plně uvědomí - třeba díky dalším objevům a teoriím, které na původní poznatek navázaly.

Jak to, že vesmír přežil svůj zrod?

Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa popsali narušení symetrie, které se objevilo na samotném počátku vesmíru, při velkém třesku před přibližně čtrnácti miliardami let. Pokud, jak teorie předpokládá, na začátku existovalo stejné množství hmoty i antihmoty, měly by se vzájemně anihilovat. Nestalo se tak, protože ve vesmíru zřejmě na každých 10 miliard částic antihmoty připadalo o jednu částici klasické hmoty více. Tato desetimiliardtina hmoty tedy počáteční anihilaci přečkala. Vděčíme za to právě narušení symetrie.

Co přesně se na počátku vesmíru událo, ale ještě stále nevíme. Odpověď by mohl poskytnout nový urychlovač částic LHC, jehož start se kvůli technickým potížím posunul na začátek příštího roku.

ČTĚTE TAKÉ: Urychlovač LHC se probouzí

Důkazy tohoto narušení symetrie se objevily v experimentech v roce 1964, japonští vědci jejich vysvětlení nabídli v roce 1972. Jejich řešení ale vyžadovalo existenci tří nových typů kvarků.

Tyto v té době hypotetické, pouze teorií předpovězené kvarky byly experimentálně potvrzeny až o mnoho let později. Poslední z nich, top kvark, dokonce až v roce 1995.

Proč je vesmír tak složitý?

Proč mají různé částice různou hmotnost? (Nejhmotnější z nich, top kvark, je třistatisíckrát hmotnější než elektron.) A proč ve vesmíru existují čtyři různé síly (slabá a silná interakce, elektromagnetická síla a gravitace) místo jedné síly univerzální? Většina fyziků dnes soudí, že původní symetrii sil zničil jeden typ spontánního narušení symetrie, takzvaný Higgsův mechanismus. Ten způsobil oddělení čtyř sil a dal všem částicím jejich hmotnost.

ČTĚTE TAKÉ: Po tajemství vesmíru nepátrá pouze LHC

Spontánní narušení symetrie můžeme zjednodušeně ilustrovat obrázkem rotující tužky. Dokud se točí, je zcela symetrická - ze všech stran se nám jeví stejně. Jakmile se tužka dotočí a spadne, o svou symetrii přijde. Zato se dostane do mnohem stabilnějšího stavu o minimální energii.

Takové spontánní narušení symetrie v roce 1960 matematicky popsal Yoichiro Nambu. Jeho objev je dnes integrální součástí standardního modelu, kterým se fyzikové pokoušejí uspořádat vztahy mezi jednotlivými elementárními částicemi a silami.

ČTĚTE TAKÉ: Nobelova cena za objev rakoviny čípku a AIDS

Foto Nobel Foundation, ČTK