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?

Narušená symetria

. .časopis .veda

Nobelovu cenu za fyziku získali traja Japonci (z ktorých jeden je občanom USA). Yoichiro Nambu (to je ten Američan) aj Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa dostali cenu za teoretické práce týkajúce sa symetrií a

Nobelovu cenu za fyziku získali traja Japonci (z ktorých jeden je občanom USA). Yoichiro Nambu (to je ten Američan) aj Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa dostali cenu za teoretické práce týkajúce sa symetrií a ich narušenia vo fyzike elementárnych častíc.


Symetria je estetika idiotov – hlása jeden z aforizmov poľského básnika Juliana Tuwima. Nie je známe, či sa chcel Tuwim týmto aforizmom rúhať, ale faktom je, že za lichôtku Stvoriteľovi to považovať nemožno. Všetko totiž nasvedčuje tomu, že symetrie hrajú úplne zásadnú úlohu v najhlbších prírodných zákonoch, ktorými sa riadi tento svet.
Tými zákonmi sú podľa našich súčasných vedomostí fyzikálne zákony charakterizujúce vzájomné pôsobenie (interakcie) elementárnych častíc. A všetky tieto fundamentálne zákony sú založené na symetriách. Dalo by sa dokonca povedať, že symetrie sú základom týchto zákonov.
Fascinujúca na symetriách pritom nie je len ich dôležitosť, ale aj ich rozmanitosť – kľúčovú úlohu zohráva vo fyzike elementárnych častíc hneď niekoľko rôznych symetrií. A hádam ešte fascinujúcejšia je skutočnosť, že mnohé z týchto fundamentálnych symetrií nie sú absolútne – že sú takým či onakým spôsobom narušené. Nuž, a tie narušenia hrajú spravidla rovnako dôležitú úlohu, ako tie symetrie.

.stĺp
Pojem rôznych symetrií a ich narušenia sa dá asi najnázornejšie vysvetliť na nejakom konkrétnom predmete, napríklad na antickom stĺpe. Podstatná časť takéhoto stĺpa (všetko okrem základu a hlavice) má zjavnú rotačnú symetriu – keď ho otočíme okolo vlastnej osi, dostaneme znova to isté. Ak sa hrúbka stĺpu nemení, môžeme sa pozdĺž neho pohybovať bez toho, že by sme zaregistrovali nejakú zmenu – tomu sa hovorí translačná symetria. Ak stĺp poctivo odoláva zubu času, t.j. ak je dnes presne taký istý, ako bol včera – hovoríme o symetrii vzhľadom na posunutia v čase.
Symetrické vzhľadom na posunutia v čase či priestore alebo vzhľadom na rotácie však môžu byť nielen hmatateľné predmety, ale aj prírodné zákony. Ak sa prírodné zákony nemenia zo dňa na deň, ak platia všade rovnako a nezávisia ani od toho, ako sa natočíme, potom aj ony majú tieto symetrie.
No dobre, a čo z toho? Zaujímavé a dôležité veci. Takmer pred sto rokmi ukázala nemecká matematička Emmy Noether, že zo symetrie vzhľadom na posunutia v čase vyplýva zákon zachovania energie, zo symetrie vzhľadom na posunutia v priestore zákon zachovania hybnosti a z rotačnej symetrie zákon zachovania takzvaného momentu hybnosti. A to sú teda dosť dôležité zákony.

Ak si chceme aspoň čo i len veľmi hmlisto povedať o tom, na čo vlastne prišiel Yoichiro Nambu, musíme si povedať ešte niečo o spadnutom stĺpe. Zvislo stojaci stĺp môže spadnúť hociktorým smerom – rotačná symetria sa prejavuje okrem iného aj v tom, že všetky smery, ktoré si stĺp môže vybrať pre svoj pád, sú rovnocenné (ak teda stĺp padá úplne spontánne, bez toho, že by ho niekto zvalil). Po páde sa rotačná symetria okolo vertikálnej osi síce stratí (hovorí sa tomu, že symetria sa spontánne narušila), ale ostane prítomná aspoň v rovnocennosti pádov do všetkých smerov.
No dobre, a čo z toho? Nuž, ak sa niečo podobné udeje aj v prípade symetrie prírodných zákonov, tak z toho môže byť Nobelova cena (k tomu sa vrátime o chvíľu).
Ak si chceme aspoň v tých najhrubších rysoch povedať o tom, na čo vlastne prišli Kobayashi s Maskawom, musíme si povedať ešte niečo o secesnom stĺpe. Okolo secesného stĺpu sa môže ovíjať nejaký brečtan. Takémuto stĺpu chýba jedna dôležitá symetria, ktorú antický stĺp má. Ide o symetriu medzi predmetom a jeho zrkadlovým obrazom.
Ak sa pozrieme na antický stĺp v zrkadle, vidíme to isté, čo pred zrkadlom. Ak sa pozrieme na secesný stĺp, vidíme niečo iné – ak sa brečtan ovíjal okolo stĺpu jedným smerom (napríklad ako štandardná vývrtka), potom v brečtane sa ovíja smerom opačným.
No dobre, a čo z toho? Pozorný čitateľ si určite ľahko doplní odpoveď sám.

.japonci
Tak, a teraz naozaj. Za čo boli udelené tohtoročné Nobelove ceny za fyziku? Nuž, za pomerne komplikované a abstraktné veci. Ak si niekto myslel, že tieto veci dokážeme vysvetliť na dvoch stranách v .týždni, bude pomaly načase vyviesť ho z omylu. Nezmôžeme sa na nič viac, než na akýsi základný súvis ich prác s naším stĺpom.
Yoichiro Nambu skúmal pôvodne spontánne narušenie symetrie vo fyzike tuhých látok, kde dochádza k javom podobným ako je pád stĺpu – napríklad pri spontánnom zmagnetizovaní feromagnetu. Aj tu, podobne ako v prípade spontánneho pádu stĺpu, je pôvodná symetria narušená – výsledná magnetizácia totiž smeruje jedným konkrétnym z nekonečného množstva pôvodne rovnocenných smerov.
Niečo podobné sa deje aj v prípade supravodivosti, tu však nehrá podstatnú úlohu ani jedna z doteraz uvažovaných časopriestorových symetrií, v hre je akási abstraktnejšia symetria. No a Nambu našiel pred polstoročím veľmi plodnú analógiu medzi supravodivosťou a niektorými dôležitými aspektmi fyziky elementárnych častíc, pričom kľúčovým pojmom bolo práve spontánne narušenie symetrie. Toto spontánne narušenie symetrie má veľmi dôležité fyzikálne dôsledky a dnes je jedným zo základných kameňov teórie elementárnych častíc. Viac sa však o tom na tejto úrovni, bohužiaľ, povedať nedá.
Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa dostali Nobelovu cenu za článok, ktorý sa stal vo fyzike elementárnych častíc najcitovanejšou prácou všetkých čias. Článok napísali začiatkom sedemdesiatych rokov, keď bolo o základných zákonoch prírody známe, že nerešpektujú symetriu medzi predmetom a jeho zrkadlovým obrazom, ani symetriu medzi hmotou a antihmotou, t. j. medzi stĺpom a antistĺpom (prvý sa skladá z protónov, neutrónov a elektrónov, druhý z antiprotónov, antineutrónov a pozitrónov).
Fyzici boli veľmi prekvapení z narušenia obidvoch týchto symetrií a mali veľmi silné dôvody veriť, že tento svet rešpektuje aspoň kombinovanú symetriu, v ktorej prechádza stĺp s pravotočivým brečtanom na antistĺp s ľavotočivým brečtanom. Ukázalo sa však, že ani toto nie je pravda (za experimentálny objav tohto faktu získali Nobelovu cenu Cronin a Fitch ). No a Kobayashi s Maskawom našli spôsob, ako tento fakt prirodzene vysvetliť. Ich vysvetlenie však predpokladalo existenciu šiestich kvarkov, pričom v tom čase boli známe len tri a o štvrtom sa špekulovalo. Práve predpoveď piateho a šiesteho kvarku im vyniesla Nobelovu cenu.

.taliani
V súvislosti s menami tohtoročných japonských laureátov Nobelovej ceny napadnú väčšine časticových fyzikov automaticky mená dvoch Talianov. Všetci totiž poznajú
takzvanú Cabibbo-Kobayashi-Maskawovu maticu a hoci aj to prvé meno znie tak trochu japonsky, kompletné meno Nicola Cabibbo je evidentne talianske. A práve tento taliansky fyzik vymyslel čosi, bez čoho by práca dvoch Japoncov vôbec nebola možná (poznámka pre znalcov: reč je o zmiešavaní kvarkov). Mnoho fyzikov (najmä talianskych, ale nielen) sa dokonca domnieva, že význam Cabibbovej práce je prinajmenšom porovnateľný, ak nie výrazne vyšší ako význam práce Kobayashiho a Maskawu. Ja osobne sa domnievam, že by si spoločnú Nobelovu cenu zaslúžili všetci traja.
A to ešte nie je všetko. Väčšina časticových fyzikov pozná aj pojem Nambu-Jona-Lasiniov model a vie, že ďalší taliansky fyzik Giovanni Jona-Lasinio spolupracoval s Nambuom na mnohých článkoch, ktoré boli teraz ocenené Nobelovou cenou. Myslím, že spolu s Nambuom mohol pokojne dostať cenu aj Jona-Lasinio. A čo si myslí Nambu? Keď tento osemdesiatsedemročný profesor nemohol prísť predniesť do Štokholmu svoju nobelovskú prednášku, poslal namiesto seba Giovanniho Jona-Lasinia. Ktovie, čo tým chcel povedať.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite