Zdôvodnenie: „... za teoretický objav mechanizmu, ktorý nám pomáha porozumieť, ako vzniká hmotnosť subatomárnych častíc a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpovedanej elementárnej častice“ (v experimentoch ATLAS a CMS na urýchľovači LHC v CERN-e).
Cena nie je „za objav Higgsovho bozónu“, ale za návrh matematicko-fyzikálnej technológie , ktorú potom využili iní fyzici pri konštruovaní štandardného modelu. Laureáti ani nepredpovedali, že „bude objavený Higgsov bozón“. Iba to, že ak niekto použije ich nápad pri formulovaní fyzikálnej teórie, potom v tej teórii bude aj istá bezspinová častica. P. Higgs aj vypočítal, ako súvisí jej hmotnosť s inými parametrami teórie, preto časticu po ňom pomenovali. Práce Higgsa a Englerta (1964) sú nezávislé, ale Englert mal aj spoluautora. Robert Brout sa však udelenia Nobelovej ceny nedožil. Ako sa hovorí: „Keď chceš dostať Nobelovu cenu, musíš v mladom veku vytvoriť niečo veľké a potom dlho žiť, aby si sa ceny dočkal.“
.skladačka
Priblížme si fyzikálny kontext. Naša civilizácia objavila, že pre pochopenie sveta okolo nás je užitočný princíp „skladať sa z“. Najprv chemici svet „poskladali z“ atómov a molekúl. Ako LEGO. Niekoľko málo typov kociek (atómov) umožňuje vytvoriť veľké množstvo finálnych konštrukcií.
Ďalší výskum prenikal do hlbších štruktúr svetovej LEGO stavebnice. Objav jadra viedol k poznaniu, že atómy „sa skladajú“ z jadra a elektrónov. Neskôr jadro „zložili “ z protónov a neutrónov. Na urýchľovačoch sa objavili ďalšie LEGO kocky: protón, neutrón a elektrón dostali stovky bratov. Preto sa, prirodzene, hľadala ešte hlbšia štruktúra. Teoretické úvahy a experimentálne výsledky z urýchľovača v Stanforde (1968) viedli k objavu subčasticovej štruktúry. Dnes učíme, že protóny, neutróny a ďalšie elementárne častice „sa skladajú“ z kvarkov. Pri elektrónoch sa hlbšia štruktúra (zatiaľ ?) nenašla, tak sme ich len posunuli na hlbšiu úroveň a stali sa bratancami už nie protónov, ale kvarkov.
Momentálny stav najhlbšej LEGO úrovne je takýto. Sú tri dvojice kvarkov. Prvou je u-kvark a d-kvark. Čosi ako bratia. Ďalšia dvojica sú bratia c-kvark a s-kvark. Sú vzdialenejšou rodinou dvojice u, d, čosi ako ich bratanci. Posledná dvojica je t-kvark a b-kvark. Na tej istej úrovni máme ďalšie bratské dvojice bratancov iného druhu, takzvané leptóny. Sú to elektrón a jeho brat elektrónové neutríno, mión a miónové neutríno a taón a taónové neutríno.
Dodajme, že každý kvark sa vyskytuje navyše v troch verziách ako „jednovaječné trojčatá“. Červený u-kvark, zelený u-kvark a modrý u-kvark. Ich brat d-kvark je tiež „farebné trojča“. Podobné je to u ďalších kvarkov. Leptóny farebnú proliferáciu nemajú. Označenie červený, zelený a modrý neznamená „naozajstnú farbu“, iba pomenovanie istej abstraktnej vlastnosti.
Poznáme teda „anatómiu sveta“: veci okolo nás sa skladajú z kvarkov a leptónov. Potrebujeme aj fyziológiu, teda porozumenie, ako to „funguje“, dynamickú teóriu. Už prvá subatomárna úroveň štruktúry hmoty (atómy sa skladajú z jadra a elektrónov) bola pre teoretickú fyziku ťažkým problémom. Až objav kvantovej mechaniky viedol k uspokojivej teórii. Kvantová Schrodingerova rovnica a Coulombov zákon sily nám umožňujú porozumieť celému svetu atómov a chémie. Teda, takmer celému. Pochopenie jemných detailov na úrovni piateho desatinného miesta výsledku vyžaduje relativistickú formuláciu kvantovej teórie.
.nový jazyk
Spojenie kvantovej teórie a teórie relativity prináša (ako matematickú nutnosť) nové pohľady. Výrazne sa mení porozumenie pojmu „skladať sa z“. Školská formulácia „protón sa skladá z dvoch u-kvarkov a jedného d-kvarku“ nevystihuje dobre skutočnosť. Pri popise interakcie protónov totiž prirodzene narazíme na predstavu, že v protóne sú občas prítomné aj ďalšie kvarky ako kvark-antikvarkové páry, takže „počet subčastíc, z ktorých sa protón skladá“ nie je dobre definované číslo. Interakciu dvoch elektrónov už nepopisujeme Coulombovým zákonom sily, ale komplikovaným aparátom. Matematicky ide o relativistickú kvantovú teóriu poľa. V rámci nej vieme, čo máme robiť, aby sme vypočítali pravdepodobnosť, že nejaký detektor pípne. Vzorce, ktoré pritom používame, však majú zaujímavú mnemotechnickú formuláciu. Hovoríme napríklad, že dva elektróny interagujú tak, že jeden z nich vyžiari fotón, ten je vzápätí pohltený druhým z elektrónov, čo efektívne vyzerá ako vzájomné silové pôsobenie. Ale dá sa i tak, že elektrón vyžiari fotón. Ten sa premení na pár elektrón pozitrón. Tie po chvíli anihilujú, vyrobia nový fotón, ktorý je potom pohltený druhým elektrónom. A rad ďalších „mechanizmov“. Všetky tieto slová sú len mnemotechnickým vyjadrením vzorcov vo výpočte pravdepodobnosti zrážky dvoch elektrónov. Netvrdíme, že pojmy ako „vznikne elektrón pozitrónový pár“ vyjadrujú čosi, čo sa naozaj deje. Ontologický status takých vyjadrení je zaujímavá filozofická otázka, ale na vykonanie výpočtov ju nemusíme riešiť. To, čo je „filozoficky navyše“, nás pre praktické účely netrápi.
V celom popise sme narazili na novú časticu, fotón, ktorú sme nemali vymenovanú medzi „základnými stavebnými kameňmi“. Kvantová teória poľa (matematicky) vedie k tomu, že do hry pristúpia ďalšie častice, mediátory interakcie medzi LEGO kockami. V kvantovej elektrodynamike sú to práve fotóny.
Kvantová elektrodynamika sa stala modelom, ako vyrobiť teóriu interakcií kvarkov a leptónov. Pomerne rýchlo sa ustálilo, ako by mali vyzerať častice-mediátory interakcií. Pre silné interakcie kvarkov by to mali byť tzv. gluóny, pre slabé interakcie tzv. W a Z bozóny a pre elektromagnetické interakcie už spomínaný fotón. Kvalitatívne vlastnosti slabých interakcií (ich krátky priestorový dosah) však vyžadujú, že W a Z bozóny musia mať veľkú hmotnosť. Teoretik, vedený analógiami s kvantovou elektrodynamikou, pomerne ľahko napíše základnú matematickú štruktúru (pre odborníkov: lagranžián), ktorá by mala popisovať dynamiku kvarkov a leptónov. Ale narazí na problém. Nenulová hmotnosť W a Z bozónov (vložená do hry ako parameter teórie) spôsobuje, že celá teória sa „zrúti“, analógia s elektrodynamikou nevedie k použiteľným vzorcom pre výpočty (pre odborníkov: teória je nerenormalizovateľná). Fyzici tušili, že keby v teórii vystupovali W a Z bozóny s nulovou hmotnosťou (podobne ako fotón), vzorce pre praktický výpočet by sa dali odvodiť, ibaže by zjavne predpovedali niečo iné, ako vidíme vo svete okolo nás.
.niečo navyše
V tejto fáze prichádza na scénu nápad zamontovať do celej stavebnice akosi „navyše“ mechanizmus navrhnutý Higgsom, Broutom a Englertom. Hovorí toto. Skúmajme tzv. skalárne pole istej štruktúry, ktorá by znamenala, že vo svete, v ktorom by toto pole fungovalo osamotené, by sme mali pozorovať štyri bezspinové častice, kladnú, zápornú a dve neutrálne. Ak navyše do hry pridáme samointerakciu toho skalárneho poľa celkom špeciálneho typu, zistíme, že nastane jav tzv. spontánneho narušenia symetrie (nebudeme sa tu pokúšať vysvetľovať, o čo ide), ktorý vedie k tomu, že tri z tých štyroch častíc budú bezhmotové a jedna s nenulovou hmotnosťou. Toto bolo známe už pred Higgsom a Englertom. Dnešní laureáti si však všimli, že v istom špeciálnom prípade bude všetko inak. Vtedy, keď sa to skalárne pole pridá do teórie, kde vystupujú tzv. kalibračné polia, ktoré sa používajú na popis mediátorov interakcií. Vtedy pridanie (Higgsovho) skalárneho poľa nevedie k doplneniu teórie o štyri častice, ale len o jednu časticu (Higgsov bozón). Jeho traja bezhmotoví bratia sa stanú dodatočnými komponentmi polí pôvodne bezhmotových bozónov W a Z, čo spôsobí, že bozóny W a Z „získajú hmotnosť“. Vyzerá to ako opis niečoho, čo sa v prírode „naozaj deje“. Odtiaľ vyjadrenia typu „v istom okamihu vývoja vesmíru pôvodne bezhmotové častice získajú nenulovú hmotnosť“. Aj formulácia nobelovského výboru hovorí „ktorý nám pomáha porozumieť, ako vzniká hmotnosť subatomárnych častíc“.
Nie je však nutné trvať na tom, že „mechanizmus vzniku hmotnosti“ má ontologický status. Môžeme zaujať aj stanovisko, že Higgsov mechanizmus popisuje len istú matematickú transformáciu teórie, ktorá sa udeje nie v reálnom svete ale v hlave teoretika.
Vo fyzike nás síce motivuje hľadanie pravdy, ale teórie, ktoré ponúkneme, si nenárokujú atribút pravdivosti. O pár rokov ich možno pod tlakom novej experimentálnej evidencie zmeníme. Naše teórie sú najlepšie rady, ktoré vieme momentálne poskytnúť našim ľudským bratom, aby sme im pomohli prežiť v okolitej džungli. Tie rady vznikajú v komplikovanom procese, ktorý je prevažne inteligentným hádaním.
Napríklad. Uhádnem, čo sú základné stavebné kamene. Potom uhádnem, čo by mohli byť mediátory interakcie. Napíšem, ako by mohla vyzerať dynamická teória. Bum! Nemá dobrý matematický zmysel! Skúmam prečo. Vadia nenulové hmotnosti niektorých mediátorov. S nulovými hmotnosťami by to matematicky asi fungovalo. Ale nezodpovedalo by to realite. Prečítam si Higgsov článok. Pridám do bezhmotovej teórie Higgsovo pole. Potom použijem trik Higgs, Englert, Brout a teóriu matematicky transformujem na inú teóriu, ktorá vyzerá úplne inak (častice budú mať hmotnosť). A poviem: až túto (v mojej hlave) transformovanú teóriu budem brať vážne ako (uhádnutú) teóriu sveta. Matematicky je to v rozumnom poriadku, potrebné častice budú mať nenulovú hmotnosť a časom sa ukáže, že všetky predpovede budú súhlasiť s experimentom. Čo viac mám chcieť od dobrej rady?
Autor je fyzik.
Cena nie je „za objav Higgsovho bozónu“, ale za návrh matematicko-fyzikálnej technológie , ktorú potom využili iní fyzici pri konštruovaní štandardného modelu. Laureáti ani nepredpovedali, že „bude objavený Higgsov bozón“. Iba to, že ak niekto použije ich nápad pri formulovaní fyzikálnej teórie, potom v tej teórii bude aj istá bezspinová častica. P. Higgs aj vypočítal, ako súvisí jej hmotnosť s inými parametrami teórie, preto časticu po ňom pomenovali. Práce Higgsa a Englerta (1964) sú nezávislé, ale Englert mal aj spoluautora. Robert Brout sa však udelenia Nobelovej ceny nedožil. Ako sa hovorí: „Keď chceš dostať Nobelovu cenu, musíš v mladom veku vytvoriť niečo veľké a potom dlho žiť, aby si sa ceny dočkal.“
.skladačka
Priblížme si fyzikálny kontext. Naša civilizácia objavila, že pre pochopenie sveta okolo nás je užitočný princíp „skladať sa z“. Najprv chemici svet „poskladali z“ atómov a molekúl. Ako LEGO. Niekoľko málo typov kociek (atómov) umožňuje vytvoriť veľké množstvo finálnych konštrukcií.
Ďalší výskum prenikal do hlbších štruktúr svetovej LEGO stavebnice. Objav jadra viedol k poznaniu, že atómy „sa skladajú“ z jadra a elektrónov. Neskôr jadro „zložili “ z protónov a neutrónov. Na urýchľovačoch sa objavili ďalšie LEGO kocky: protón, neutrón a elektrón dostali stovky bratov. Preto sa, prirodzene, hľadala ešte hlbšia štruktúra. Teoretické úvahy a experimentálne výsledky z urýchľovača v Stanforde (1968) viedli k objavu subčasticovej štruktúry. Dnes učíme, že protóny, neutróny a ďalšie elementárne častice „sa skladajú“ z kvarkov. Pri elektrónoch sa hlbšia štruktúra (zatiaľ ?) nenašla, tak sme ich len posunuli na hlbšiu úroveň a stali sa bratancami už nie protónov, ale kvarkov.
Momentálny stav najhlbšej LEGO úrovne je takýto. Sú tri dvojice kvarkov. Prvou je u-kvark a d-kvark. Čosi ako bratia. Ďalšia dvojica sú bratia c-kvark a s-kvark. Sú vzdialenejšou rodinou dvojice u, d, čosi ako ich bratanci. Posledná dvojica je t-kvark a b-kvark. Na tej istej úrovni máme ďalšie bratské dvojice bratancov iného druhu, takzvané leptóny. Sú to elektrón a jeho brat elektrónové neutríno, mión a miónové neutríno a taón a taónové neutríno.
Dodajme, že každý kvark sa vyskytuje navyše v troch verziách ako „jednovaječné trojčatá“. Červený u-kvark, zelený u-kvark a modrý u-kvark. Ich brat d-kvark je tiež „farebné trojča“. Podobné je to u ďalších kvarkov. Leptóny farebnú proliferáciu nemajú. Označenie červený, zelený a modrý neznamená „naozajstnú farbu“, iba pomenovanie istej abstraktnej vlastnosti.
Poznáme teda „anatómiu sveta“: veci okolo nás sa skladajú z kvarkov a leptónov. Potrebujeme aj fyziológiu, teda porozumenie, ako to „funguje“, dynamickú teóriu. Už prvá subatomárna úroveň štruktúry hmoty (atómy sa skladajú z jadra a elektrónov) bola pre teoretickú fyziku ťažkým problémom. Až objav kvantovej mechaniky viedol k uspokojivej teórii. Kvantová Schrodingerova rovnica a Coulombov zákon sily nám umožňujú porozumieť celému svetu atómov a chémie. Teda, takmer celému. Pochopenie jemných detailov na úrovni piateho desatinného miesta výsledku vyžaduje relativistickú formuláciu kvantovej teórie.
.nový jazyk
Spojenie kvantovej teórie a teórie relativity prináša (ako matematickú nutnosť) nové pohľady. Výrazne sa mení porozumenie pojmu „skladať sa z“. Školská formulácia „protón sa skladá z dvoch u-kvarkov a jedného d-kvarku“ nevystihuje dobre skutočnosť. Pri popise interakcie protónov totiž prirodzene narazíme na predstavu, že v protóne sú občas prítomné aj ďalšie kvarky ako kvark-antikvarkové páry, takže „počet subčastíc, z ktorých sa protón skladá“ nie je dobre definované číslo. Interakciu dvoch elektrónov už nepopisujeme Coulombovým zákonom sily, ale komplikovaným aparátom. Matematicky ide o relativistickú kvantovú teóriu poľa. V rámci nej vieme, čo máme robiť, aby sme vypočítali pravdepodobnosť, že nejaký detektor pípne. Vzorce, ktoré pritom používame, však majú zaujímavú mnemotechnickú formuláciu. Hovoríme napríklad, že dva elektróny interagujú tak, že jeden z nich vyžiari fotón, ten je vzápätí pohltený druhým z elektrónov, čo efektívne vyzerá ako vzájomné silové pôsobenie. Ale dá sa i tak, že elektrón vyžiari fotón. Ten sa premení na pár elektrón pozitrón. Tie po chvíli anihilujú, vyrobia nový fotón, ktorý je potom pohltený druhým elektrónom. A rad ďalších „mechanizmov“. Všetky tieto slová sú len mnemotechnickým vyjadrením vzorcov vo výpočte pravdepodobnosti zrážky dvoch elektrónov. Netvrdíme, že pojmy ako „vznikne elektrón pozitrónový pár“ vyjadrujú čosi, čo sa naozaj deje. Ontologický status takých vyjadrení je zaujímavá filozofická otázka, ale na vykonanie výpočtov ju nemusíme riešiť. To, čo je „filozoficky navyše“, nás pre praktické účely netrápi.
V celom popise sme narazili na novú časticu, fotón, ktorú sme nemali vymenovanú medzi „základnými stavebnými kameňmi“. Kvantová teória poľa (matematicky) vedie k tomu, že do hry pristúpia ďalšie častice, mediátory interakcie medzi LEGO kockami. V kvantovej elektrodynamike sú to práve fotóny.
Kvantová elektrodynamika sa stala modelom, ako vyrobiť teóriu interakcií kvarkov a leptónov. Pomerne rýchlo sa ustálilo, ako by mali vyzerať častice-mediátory interakcií. Pre silné interakcie kvarkov by to mali byť tzv. gluóny, pre slabé interakcie tzv. W a Z bozóny a pre elektromagnetické interakcie už spomínaný fotón. Kvalitatívne vlastnosti slabých interakcií (ich krátky priestorový dosah) však vyžadujú, že W a Z bozóny musia mať veľkú hmotnosť. Teoretik, vedený analógiami s kvantovou elektrodynamikou, pomerne ľahko napíše základnú matematickú štruktúru (pre odborníkov: lagranžián), ktorá by mala popisovať dynamiku kvarkov a leptónov. Ale narazí na problém. Nenulová hmotnosť W a Z bozónov (vložená do hry ako parameter teórie) spôsobuje, že celá teória sa „zrúti“, analógia s elektrodynamikou nevedie k použiteľným vzorcom pre výpočty (pre odborníkov: teória je nerenormalizovateľná). Fyzici tušili, že keby v teórii vystupovali W a Z bozóny s nulovou hmotnosťou (podobne ako fotón), vzorce pre praktický výpočet by sa dali odvodiť, ibaže by zjavne predpovedali niečo iné, ako vidíme vo svete okolo nás.
.niečo navyše
V tejto fáze prichádza na scénu nápad zamontovať do celej stavebnice akosi „navyše“ mechanizmus navrhnutý Higgsom, Broutom a Englertom. Hovorí toto. Skúmajme tzv. skalárne pole istej štruktúry, ktorá by znamenala, že vo svete, v ktorom by toto pole fungovalo osamotené, by sme mali pozorovať štyri bezspinové častice, kladnú, zápornú a dve neutrálne. Ak navyše do hry pridáme samointerakciu toho skalárneho poľa celkom špeciálneho typu, zistíme, že nastane jav tzv. spontánneho narušenia symetrie (nebudeme sa tu pokúšať vysvetľovať, o čo ide), ktorý vedie k tomu, že tri z tých štyroch častíc budú bezhmotové a jedna s nenulovou hmotnosťou. Toto bolo známe už pred Higgsom a Englertom. Dnešní laureáti si však všimli, že v istom špeciálnom prípade bude všetko inak. Vtedy, keď sa to skalárne pole pridá do teórie, kde vystupujú tzv. kalibračné polia, ktoré sa používajú na popis mediátorov interakcií. Vtedy pridanie (Higgsovho) skalárneho poľa nevedie k doplneniu teórie o štyri častice, ale len o jednu časticu (Higgsov bozón). Jeho traja bezhmotoví bratia sa stanú dodatočnými komponentmi polí pôvodne bezhmotových bozónov W a Z, čo spôsobí, že bozóny W a Z „získajú hmotnosť“. Vyzerá to ako opis niečoho, čo sa v prírode „naozaj deje“. Odtiaľ vyjadrenia typu „v istom okamihu vývoja vesmíru pôvodne bezhmotové častice získajú nenulovú hmotnosť“. Aj formulácia nobelovského výboru hovorí „ktorý nám pomáha porozumieť, ako vzniká hmotnosť subatomárnych častíc“.
Nie je však nutné trvať na tom, že „mechanizmus vzniku hmotnosti“ má ontologický status. Môžeme zaujať aj stanovisko, že Higgsov mechanizmus popisuje len istú matematickú transformáciu teórie, ktorá sa udeje nie v reálnom svete ale v hlave teoretika.
Vo fyzike nás síce motivuje hľadanie pravdy, ale teórie, ktoré ponúkneme, si nenárokujú atribút pravdivosti. O pár rokov ich možno pod tlakom novej experimentálnej evidencie zmeníme. Naše teórie sú najlepšie rady, ktoré vieme momentálne poskytnúť našim ľudským bratom, aby sme im pomohli prežiť v okolitej džungli. Tie rady vznikajú v komplikovanom procese, ktorý je prevažne inteligentným hádaním.
Napríklad. Uhádnem, čo sú základné stavebné kamene. Potom uhádnem, čo by mohli byť mediátory interakcie. Napíšem, ako by mohla vyzerať dynamická teória. Bum! Nemá dobrý matematický zmysel! Skúmam prečo. Vadia nenulové hmotnosti niektorých mediátorov. S nulovými hmotnosťami by to matematicky asi fungovalo. Ale nezodpovedalo by to realite. Prečítam si Higgsov článok. Pridám do bezhmotovej teórie Higgsovo pole. Potom použijem trik Higgs, Englert, Brout a teóriu matematicky transformujem na inú teóriu, ktorá vyzerá úplne inak (častice budú mať hmotnosť). A poviem: až túto (v mojej hlave) transformovanú teóriu budem brať vážne ako (uhádnutú) teóriu sveta. Matematicky je to v rozumnom poriadku, potrebné častice budú mať nenulovú hmotnosť a časom sa ukáže, že všetky predpovede budú súhlasiť s experimentom. Čo viac mám chcieť od dobrej rady?
Autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.