Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Pokus, ktorý asi nevyjde

.časopis .veda

Toto je piaty článok série o Higgsovom bozóne. V predchádzajúcich štyroch sme hovorili o tom, ako je Higgsov bozón médiami všelijako prikrášľovaný a ako pritom zaniká jeho skutočná krása. Nadišiel čas ukázať tú skutočnú krásu. A to je problém.

Vysvetliť dostatočne zrozumiteľne a pritom dostatočne pravdivo, akú úlohu hrá takzvaný Higgsov mechanizmus a s ním súvisiaci Higgsov bozón v stavbe nášho sveta – to je naozaj dosť ťažké. Ukázať pritom bežnému človeku aj niečo z tej krásy, ktorú tam časticoví fyzici oprávnene vidia – to je takmer nemožné. Asi najférovejší prístup k populárnovedeckému výkladu Higgsovho bozónu je preto tichá a dôstojná kapitulácia. Jednoducho si treba priznať, že nie všetko sa dá vysvetliť na populárnej úrovni a prestať tlačiť na pílu.
Lenže okrem prírodných zákonov existujú aj iné zákony. Nielen elementárne častice, ale aj rozprávanie príbehov, vrátane príbehov elementárnych častíc, je podriadené určitým zákonom. Niektoré veci si rozprávač jednoducho nemôže dovoliť. Nemôže si napríklad dovoliť hovoriť na pokračovanie o tom, ako to s tým Higgsovým bozónom nie je, a potom sa nakoniec ani len nepokúsiť povedať, ako to teda je.

.o čo ide?
Najzaujímavejší na Higgsovom bozóne je jeho úzky súvis s hmotnosťami iných elementárnych častíc. Niekedy sa hovorí – úplne nesprávne – že hmotnosti dáva časticiam práve Higgsov bozón. Inokedy sa vraví – takmer správne – že im tie hmotnosti dáva Higgsov mechanizmus. Ak teda chceme niečo z tých higgsovín pochopiť, budeme sa musieť pozrieť na ten mechanizmus.
Základnou vlastnosťou Higgsovho mechanizmu je to, že sa odohráva na papieri. Ide vlastne o akési matematické kúzlo, pri ktorom sa nepracuje priamo s časticami, ale s matematickými objektmi (reprezentujúcimi častice). Je to krásne a veľkolepé kúzlo, svojím spôsobom úžasnejšie než to najlepšie z Houdiniho a Copperfielda dohromady, ale je to kúzlo teoretické, nie praktické. Práve preto sa tak ťažko vysvetľuje.
Podstatou tohto kúzla je, že z matematických objektov, ktoré zodpovedajú časticiam s nulovou hmotnosťou, sa stanú iné matematické objekty, ktoré už zodpovedajú časticiam s nenulovou hmotnosťou. To na prvý pohľad nevyzerá až také skvelé, najmä ak to je len na papieri a nie naozaj. Lebo veď papier znesie všetko. Nuž, ale v prípade matematiky to tak nie je. Tam je papier značne vyberavý a to, čo znesie, podlieha veľmi prísnym pravidlám.
A načo sme vôbec potrebovali robiť nejaké kúzlo na papieri? Nuž, experimentálne skúmanie elementárnych častíc ukázalo, že niektoré z nich (W a Z bozóny) dokážeme teoreticky pochopiť len vtedy, ak hmotnosť súčasne aj majú, aj nemajú (presnejšie povedané, ak majú niektoré vlastnosti častíc s nulovou hmotnosťou a niektoré vlastnosti častíc s nenulovou hmotnosťou). Tento krutý paradox mal potenciál zničiť celé naše teoretické porozumenie elementárnym časticiam, ale našťastie sa podarilo nájsť spôsob, ako paradox obísť. Metóda obchvatu spočívala v tom, že sa najprv vybudovala teória W a Z bozónov s nulovými hmotnosťami, a potom sa Higgsovým mechanizmom ich hmotnosti zmenili na nenulové. Čarovné na tom kúzle bolo to, že W a Z bozóny si pritom zachovali dôležité vlastnosti častíc s nulovou hmotnosťou a zároveň získali potrebné vlastnosti častíc s nenulovou hmotnosťou.

.kde je problém?
Zmeniť (na papieri) hmotnosť nejakej častice v rámci relativistickej kvantovej teórie bez toho, aby sa zásadným spôsobom zmenil obsah tejto teórie, nie je vo všeobecnosti ťažké. Je to ťažké len v jednom prípade: ak je jedna z tých dvoch hmotností nulová a druhá nenulová. Tento prípad je komplikovaný preto, lebo nulová hmotnosť sa v relativistickej kvantovej teórii dramaticky líši od všetkých ostatných hmotností. V čom tá odlišnosť spočíva, aké problémy to spôsobuje pri prechode od nulovej k nenulovej hmotnosti a ako si s týmito problémami poradil Higgsov mechanizmus? Nuž, pokúsime sa to vysvetliť, ale bude to pokus s ručením obmedzeným.
Nulová hmotnosť má medzi všetkými možnými hodnotami hmotností úplne výnimočné postavenie – častice s nulovou hmotnosťou sa od častíc s nenulovou hmotnosťou v mnohom výrazne líšia. Vezmime si napríklad rýchlosť pohybu. Všetky častice s nenulovou hmotnosťou môžu buď stáť, alebo sa pohybovať ľubovoľnou rýchlosťou až po rýchlosť svetla (ktorá je pre ne nedosiahnuteľná). Naproti tomu častice s nulovou hmotnosťou nielenže vôbec nedokážu stáť, ale aj pohybovať sa dokážu len jednou rýchlosťou, a to práve rýchlosťou svetla.
To však nie je jediný rozdiel. Mnohé častice sa môžu okrem pohybu v nejakom smere aj vrtieť okolo vlastnej osi. A aj z tohto pohľadu sa častice s nulovou hmotnosťou na seba podobajú a častice s nenulovou hmotnosťou sa od nich výrazne líšia. A znova je to tak, že častice s nulovou hmotnosťou sú akési neposednejšie – ak už sa vrtia, tak sa vrtia najviac, ako sa len môžu.
Napríklad taký fotón. Ak by mal nenulovú hmotnosť, potom by sa mohol vrtieť (napríklad okolo osi určenej smerom jeho rýchlosti) buď jedným smerom, alebo opačným smerom, alebo nijakým smerom – čiže by sa mohol nevrtieť. Skutočný fotón s nulovou hmotnosťou sa však nedokáže nevrtieť. Buď sa točí jedným smerom alebo druhým, ale vždy sa točí.
Častice s nulovou hmotnosťou sú, takpovediac, hyperaktívne. Behajú najrýchlejšie ako sa len dá, vrtia sa najrýchlejšie, ako sa len dá. Nuž, a premeniť niečo hyperaktívne na niečo oveľa pokojnejšie, na to treba – ako potvrdí nejeden rodič – naozaj silné kúzlo.

.ako na to?
Kúzlo objavil Peter Higgs. Našiel spôsob, akým možno začať budovať teóriu s W a Z bozónmi najprv s nulovými hmotnosťami, a potom zmeniť ich hmotnosti na nenulové bez toho, aby sa niečo pokazilo. Celý vtip spočíva v tom, že so samotnými W a Z bozónmi sa nijako nemanipuluje a namiesto toho sa do teórie vhodne pridajú ďalšie častice s nulovou hmotnosťou (takzvané Goldstonove bozóny). Nuž a – abraka-dabra – keď sa na ten papier potom pozrieme, zrazu tam prestaneme vidieť všetky tie častice s nulovými hmotnosťami a namiesto nich sú tam W a Z bozóny s nenulovými hmotnosťami.
Ako je to možné? Takto: Pridané Goldstonove bozóny sa vôbec nevrtia (majú nulový spin) a na papieri vyzerajú úplne rovnako, ako by vyzerali nevrtiace sa W a Z bozóny. Také niečo (nevrtenie sa) však pri nulových hmotnostiach W a Z bozónov neexistuje (spomeňme si na tú hyperaktivitu). Takže Goldstonove bozóny dodajú do teórie presne to, čo W a Z bozóny potrebovali, aby vyzerali menej hyperaktívne.
No dobre, ale akou rýchlosťou sa W a Z bozóny pohybujú? Pôvodne sa pohybovali rýchlosťou svetla, potom sme k nim pridali Goldstonove bozóny, ktoré sa tiež pohybovali rýchlosťou svetla, a teraz sa to nebodaj pohybuje menšou rýchlosťou? To vyzerá na prvý pohľad ako holá nemožnosť: ako sa dá „zložením“ dvoch guľôčok, pohybujúcich sa rýchlosťou svetla, dostať niečo, čo sa pohybuje pomalšie? Nuž, tu si treba uvedomiť, že častice nie sú guľôčky – reč je tu o kvantovom svete, kde sa šírenie častíc podobá skôr na šírenie vĺn než na pohyb guľôčok. A pri skladaní vĺn je to s tými rýchlosťami inak, než pri guľôčkach. Takže – ako áno, ako nie – nakoniec sa W a Z bozóny pohybujú rýchlosťou menšou ako rýchlosť svetla.
Z hľadiska vrtenia aj z hľadiska rýchlosti pohybu sa teda W a Z bozóny zbavia svojej hyperaktivity a začnú sa správať tak, ako sa na častice s hmotnosťou sluší a patrí. To je ten slávny Higgsov mechanizmus. A čo je Higgsov bozón? Nuž, hovorili sme, že tie Goldstonove bozóny tam treba pridať vhodne. V niektorých prípadoch toto „vhodne“ znamená, že tam treba pridať ešte niečo – a práve to niečo je Higgsov bozón. Takže, asi tak.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite