Higgsov bozón nie je jediná dôležitá vec, ktorú objavili v CERN-e. Objavili tam, napríklad, ešte aj internetový web. Takže čítať si o Higgsovom bozóne na internetovej stránke CERN-u – to je naozaj štýlové.
A čo sa tam dá dočítať? Všeličo, medziiným aj toto: „Peter Higgs, Robert Brout a François Englert prišli s myšlienkou, že všetky častice mali krátko po big-bangu nulové hmotnosti. Ako vesmír chladol a teplota klesla pod kritickú hodnotu, vytvorilo sa neviditeľné silové pole nazývané Higgsovo pole a s ním súvisiace Higgsove bozóny. Toto pole sa odvtedy rozprestiera celým vesmírom: každá častica, ktorá s ním interaguje, získava hmotnosť prostredníctvom Higgsovho bozónu.“
Nie je jasné, kto tento text na stránke public.web.cern.ch písal, ale isté je, že mal zmysel pre dramatickosť. Znie to tak tajomne a vzrušujúco, až človeku príde ľúto, že to nie je pravda.
.aj áno, aj nie
V prvom rade nie je pravda, že by sa citovaní páni vo svojich pôvodných článkoch akýmkoľvek spôsobom zaoberali raným vesmírom. Zaoberali sa niečím celkom iným – niečím, čo skôr pripomínalo rozprávku o tej dievčine, ktorá mala prísť ani oblečená, ani nahá. V ich prípade však nešlo o dievčinu, ale o relativistickú kvantovú teóriu, ktorá svojím spôsobom mala aj nemala byť symetrická.
Fyzikálnych systémov, ktoré istým spôsobom symetriu aj majú, aj nemajú, je pomerne veľa. Veľmi jednoduchým príkladom je na špičke postavená ceruzka. V prípade hladkej (valcovej) ceruzky má tento systém rotačnú symetriu – ak ceruzku otočíme okolo vertikálnej osi prechádzajúcej jej stredom, nič sa nezmení. Rotačne symetrický nie je len stav ceruzky, ale aj jej dynamika – ak ceruzku pustíme, tak spadne, pričom rovnako dobre môže spadnúť jedným smerom ako akýmkoľvek iným. Kým ceruzka stojí, je všetko rotačne symetrické. Keď spadne, symetria sa do istej miery stratí (ak otočíme spadnutú ceruzku okolo vertikálnej osi, prejde do inej polohy), ale do istej miery sa zachová (dynamika ceruzky sa nezmenila a stále zostáva rotačne symetrická). O spadnutej ceruzke preto fyzici hovoria ako o niečom, čo symetriu má aj nemá. V skutočnosti používajú trochu iný žargón a hovoria, že symetria bola spontánne narušená.
Iným často používaným príkladom spontánne narušenej symetrie je guľôčka a rotačne symetrický kopček. Ak položíme guľôčku na vrchol kopčeka, môže sa skotúľať ľubovoľným smerom – všetky sú rovnocenné. Keď sa guľôčka skotúľa, tak sa výberom jedného konkrétneho smeru rotačná symetria na jednej strane stratí a na druhej strane zachová – jasne totiž vidíme, že rovnako dobre si mohla vybrať ktorýkoľvek iný smer a v tomto zmysle zostávajú všetky smery rovnocenné.
Inými príkladmi fyzikálnych systémov, v ktorých hrá spontánne narušenie symetrie dôležitú úlohu, sú feromagnety a supravodiče. V prípade feromagnetizmu je opäť narušená rotačná symetria, v prípade supravodivosti je to iná, abstraktnejšia symetria (hoci aj to je vlastne rotácia, ale nie v našom bežnom priestore). A podobné abstraktné symetrie sú narušené aj v relativistických kvantových teóriách, ktoré opisujú svet elementárnych častíc.
.chybička v dôkaze
Ako prvý preniesol ideu spontánne narušenej symetrie z teórie supravodivosti do teórie elementárnych častíc na začiatku 60. rokov Yoichiro Nambu (a po necelom polstoročí za to dostal v roku 2008 Nobelovu cenu). Na jeho prácu vzápätí naviazal Jeffrey Goldstone, ktorý upozornil na zvláštny problém, ktorý so sebou táto idea prináša. Problém spočíval v tom, že v relativistických kvantových teóriách so spontánnym narušením symetrie sa automaticky vyskytovali častice s nulovou hmotnosťou a nulovým spinom (spin je špecifická charakteristika každej častice a súvisí s jej „vrtením okolo vlastnej osi“). Prečo to bol problém? Nuž preto, lebo také sa nikde v prírode nepozorovali.
Chvíľu to teda vyzeralo tak, že zo spontánneho narušenia symetrie nebude v časticovej fyzike nič – teóriu, ktorá predpovedá neexistujúcu časticu, asi treba čím skôr zahodiť. Bola tu síce ešte drobná nádej, že existujú aj výnimky, t. j. teórie so spontánnym narušením symetrie a bez Goldstonových bozónov, ale túto nádej veľmi rýchlo pochoval sám Goldstone. Ten publikoval spolu s Abdusom Salamom a Stevenom Weinbergom článok, v ktorom dokázali, že existencia Goldstonových bozónov je naozaj univerzálnou vlastnosťou takýchto teórií. A ak by v tom dôkaze nebola jedna drobná chybička, Salam a Weinberg by pravdepodobne nikdy Nobelovu cenu nedostali.
Spomínanú chybu si všimol ako prvý práve Peter Higgs a nezávisle od neho aj niekoľko ďalších fyzikov. Uvedomili si, že dôkaz nie je v poriadku v špeciálnom prípade takzvaných kalibračných symetrií. A keď preskúmali, čo sa deje pri spontánnom narušení kalibračných symetrií, zistili zaujímavé veci.
Teórie s nenarušenou kalibračnou symetriou predpovedali existenciu častíc s nulovou hmotnosťou a jednotkovým spinom – takzvaných kalibračných bozónov. Pri spontánne narušených kalibračných symetriách sa preto očakávali dva typy častíc s nulovou hmotnosťou – kalibračné bozóny a Goldstonove bozóny. Ale, čuduj sa svete, nijaké také častice sa pri podrobnejšom preskúmaní v teórii nevyskytovali. Namiesto dvoch typov častíc s nulovou hmotnosťou obsahovali spomínané teórie častice s nenulovou hmotnosťou a jednotkovým spinom (vždy) a častice s nenulovou hmotnosťou a nulovým spinom (niekedy).
O pár rokov neskôr využili práve túto vlastnosť spontánne narušených kalibračných teórií Salam a Weinberg na vytvorenie zmysluplnej teórie W a Z bozónov (nenulová hmotnosť, jednotkový spin). Ako vedľajší produkt im pritom vstúpil na scénu aj Higgsov bozón (nenulová hmotnosť, nulový spin). Spontánne narušená symetria sa ukázala kľúčovým prvkom fyziky elementárnych častíc.
.vesmírna inflácia
A ako to súvisí s raným vesmírom? Začiatkom 80. rokov vymyslel Alan Guth čosi, čo on sám raz nazval bangom v rámci big-bangu. Guth si uvedomil, že štandardná teória rozpínajúceho sa vesmíru obsahuje niekoľko záhad a že tieto záhady by prestali byť záhadami, ak by sa krátko po svojom vzniku vesmír rozpínal oveľa, oveľa rýchlejšie, než neskôr. Túto fázu extrémne rýchleho rozpínania, ktorej hovoríme inflácia, dokázal aj teoreticky zdôvodniť – za predpokladu existencie čohosi, čo sa volá inflatón. Nuž, a jedným z kandidátov na tento inflatón bol práve Higgsov bozón.
Idea vesmírnej inflácie sa ukázala veľmi životaschopnou a dnes je v podstate štandardnou súčasťou našich predstáv o vzniku vesmíru. So životaschopnosťou idey Higgsovho bozónu ako inflatónu to bolo presne naopak. Čoskoro vysvitlo, že inflácia s Higgsovým bozónom v úlohe inflatónu takmer určite nevedie k vesmíru, aký pozorujeme. Ak teda CERN píše na svojej stránke pre verejnosť to, čo sme citovali na začiatku tohto článku, s infláciou to má v skutočnosti spoločné len veľmi málo.
Tak prečo to tam píšu? K tomu sa asi najrýchlejšie dostaneme tak, že si položíme otázku, kedy a ako bola Weinberg-Salamova symetria narušená. Na tejto zdanlivo hlbokej otázke je najzaujímavejšie to, že jej hĺbka je len zdanlivá. V skutočnosti je to síce sugestívna, ale zmätočná otázka.
Prečo? Pretože z toho, že je symetria narušená, ešte nevyplýva, že muselo dôjsť k jej narušeniu. Ležiaca ceruzka nemusela nikdy stáť na špičke, guľôčka pod kopčekom nemusela nikdy stáť na jeho vrchole. Isteže, elementárny jazykový cit väčšinu z nás akosi automaticky vedie k predpokladu, že to, čo je narušené, sa muselo niekedy v minulosti narušiť, ale to je záležitosť skôr psychologická než logická.
Pozoruhodné je, že aj medzi fyzikmi sa nájde dosť takých, ktorí dávajú v tomto prípade prednosť psychológii pred logikou. Otázku, kedy došlo k spontánnemu narušeniu kalibračnej symetrie, preto považujú za nástojčivú a odpoveď, že to bolo krátko po big-bangu, za uspokojujúcu.
Zaujímavé v tejto súvislosti je, že už pomerne dávno navrhovalo niekoľko osvietených duchov, aby sa v časticovej fyzike namiesto termínu „spontánne narušená symetria“ používal termín „skrytá symetria“. Keby sa to ujalo, nemuseli by sme dnes čítať na stránke CERN-u také čudné tvrdenia. Aj keď, ktovie. Možno by nám tam kládli hlbokomyseľnú otázku, kto vlastne tú symetriu skryl. A potom by nám slávnostne oznámili, že to bol Higgsov bozón.
A čo sa tam dá dočítať? Všeličo, medziiným aj toto: „Peter Higgs, Robert Brout a François Englert prišli s myšlienkou, že všetky častice mali krátko po big-bangu nulové hmotnosti. Ako vesmír chladol a teplota klesla pod kritickú hodnotu, vytvorilo sa neviditeľné silové pole nazývané Higgsovo pole a s ním súvisiace Higgsove bozóny. Toto pole sa odvtedy rozprestiera celým vesmírom: každá častica, ktorá s ním interaguje, získava hmotnosť prostredníctvom Higgsovho bozónu.“
Nie je jasné, kto tento text na stránke public.web.cern.ch písal, ale isté je, že mal zmysel pre dramatickosť. Znie to tak tajomne a vzrušujúco, až človeku príde ľúto, že to nie je pravda.
.aj áno, aj nie
V prvom rade nie je pravda, že by sa citovaní páni vo svojich pôvodných článkoch akýmkoľvek spôsobom zaoberali raným vesmírom. Zaoberali sa niečím celkom iným – niečím, čo skôr pripomínalo rozprávku o tej dievčine, ktorá mala prísť ani oblečená, ani nahá. V ich prípade však nešlo o dievčinu, ale o relativistickú kvantovú teóriu, ktorá svojím spôsobom mala aj nemala byť symetrická.
Fyzikálnych systémov, ktoré istým spôsobom symetriu aj majú, aj nemajú, je pomerne veľa. Veľmi jednoduchým príkladom je na špičke postavená ceruzka. V prípade hladkej (valcovej) ceruzky má tento systém rotačnú symetriu – ak ceruzku otočíme okolo vertikálnej osi prechádzajúcej jej stredom, nič sa nezmení. Rotačne symetrický nie je len stav ceruzky, ale aj jej dynamika – ak ceruzku pustíme, tak spadne, pričom rovnako dobre môže spadnúť jedným smerom ako akýmkoľvek iným. Kým ceruzka stojí, je všetko rotačne symetrické. Keď spadne, symetria sa do istej miery stratí (ak otočíme spadnutú ceruzku okolo vertikálnej osi, prejde do inej polohy), ale do istej miery sa zachová (dynamika ceruzky sa nezmenila a stále zostáva rotačne symetrická). O spadnutej ceruzke preto fyzici hovoria ako o niečom, čo symetriu má aj nemá. V skutočnosti používajú trochu iný žargón a hovoria, že symetria bola spontánne narušená.
Iným často používaným príkladom spontánne narušenej symetrie je guľôčka a rotačne symetrický kopček. Ak položíme guľôčku na vrchol kopčeka, môže sa skotúľať ľubovoľným smerom – všetky sú rovnocenné. Keď sa guľôčka skotúľa, tak sa výberom jedného konkrétneho smeru rotačná symetria na jednej strane stratí a na druhej strane zachová – jasne totiž vidíme, že rovnako dobre si mohla vybrať ktorýkoľvek iný smer a v tomto zmysle zostávajú všetky smery rovnocenné.
Inými príkladmi fyzikálnych systémov, v ktorých hrá spontánne narušenie symetrie dôležitú úlohu, sú feromagnety a supravodiče. V prípade feromagnetizmu je opäť narušená rotačná symetria, v prípade supravodivosti je to iná, abstraktnejšia symetria (hoci aj to je vlastne rotácia, ale nie v našom bežnom priestore). A podobné abstraktné symetrie sú narušené aj v relativistických kvantových teóriách, ktoré opisujú svet elementárnych častíc.
.chybička v dôkaze
Ako prvý preniesol ideu spontánne narušenej symetrie z teórie supravodivosti do teórie elementárnych častíc na začiatku 60. rokov Yoichiro Nambu (a po necelom polstoročí za to dostal v roku 2008 Nobelovu cenu). Na jeho prácu vzápätí naviazal Jeffrey Goldstone, ktorý upozornil na zvláštny problém, ktorý so sebou táto idea prináša. Problém spočíval v tom, že v relativistických kvantových teóriách so spontánnym narušením symetrie sa automaticky vyskytovali častice s nulovou hmotnosťou a nulovým spinom (spin je špecifická charakteristika každej častice a súvisí s jej „vrtením okolo vlastnej osi“). Prečo to bol problém? Nuž preto, lebo také sa nikde v prírode nepozorovali.
Chvíľu to teda vyzeralo tak, že zo spontánneho narušenia symetrie nebude v časticovej fyzike nič – teóriu, ktorá predpovedá neexistujúcu časticu, asi treba čím skôr zahodiť. Bola tu síce ešte drobná nádej, že existujú aj výnimky, t. j. teórie so spontánnym narušením symetrie a bez Goldstonových bozónov, ale túto nádej veľmi rýchlo pochoval sám Goldstone. Ten publikoval spolu s Abdusom Salamom a Stevenom Weinbergom článok, v ktorom dokázali, že existencia Goldstonových bozónov je naozaj univerzálnou vlastnosťou takýchto teórií. A ak by v tom dôkaze nebola jedna drobná chybička, Salam a Weinberg by pravdepodobne nikdy Nobelovu cenu nedostali.
Spomínanú chybu si všimol ako prvý práve Peter Higgs a nezávisle od neho aj niekoľko ďalších fyzikov. Uvedomili si, že dôkaz nie je v poriadku v špeciálnom prípade takzvaných kalibračných symetrií. A keď preskúmali, čo sa deje pri spontánnom narušení kalibračných symetrií, zistili zaujímavé veci.
Teórie s nenarušenou kalibračnou symetriou predpovedali existenciu častíc s nulovou hmotnosťou a jednotkovým spinom – takzvaných kalibračných bozónov. Pri spontánne narušených kalibračných symetriách sa preto očakávali dva typy častíc s nulovou hmotnosťou – kalibračné bozóny a Goldstonove bozóny. Ale, čuduj sa svete, nijaké také častice sa pri podrobnejšom preskúmaní v teórii nevyskytovali. Namiesto dvoch typov častíc s nulovou hmotnosťou obsahovali spomínané teórie častice s nenulovou hmotnosťou a jednotkovým spinom (vždy) a častice s nenulovou hmotnosťou a nulovým spinom (niekedy).
O pár rokov neskôr využili práve túto vlastnosť spontánne narušených kalibračných teórií Salam a Weinberg na vytvorenie zmysluplnej teórie W a Z bozónov (nenulová hmotnosť, jednotkový spin). Ako vedľajší produkt im pritom vstúpil na scénu aj Higgsov bozón (nenulová hmotnosť, nulový spin). Spontánne narušená symetria sa ukázala kľúčovým prvkom fyziky elementárnych častíc.
.vesmírna inflácia
A ako to súvisí s raným vesmírom? Začiatkom 80. rokov vymyslel Alan Guth čosi, čo on sám raz nazval bangom v rámci big-bangu. Guth si uvedomil, že štandardná teória rozpínajúceho sa vesmíru obsahuje niekoľko záhad a že tieto záhady by prestali byť záhadami, ak by sa krátko po svojom vzniku vesmír rozpínal oveľa, oveľa rýchlejšie, než neskôr. Túto fázu extrémne rýchleho rozpínania, ktorej hovoríme inflácia, dokázal aj teoreticky zdôvodniť – za predpokladu existencie čohosi, čo sa volá inflatón. Nuž, a jedným z kandidátov na tento inflatón bol práve Higgsov bozón.
Idea vesmírnej inflácie sa ukázala veľmi životaschopnou a dnes je v podstate štandardnou súčasťou našich predstáv o vzniku vesmíru. So životaschopnosťou idey Higgsovho bozónu ako inflatónu to bolo presne naopak. Čoskoro vysvitlo, že inflácia s Higgsovým bozónom v úlohe inflatónu takmer určite nevedie k vesmíru, aký pozorujeme. Ak teda CERN píše na svojej stránke pre verejnosť to, čo sme citovali na začiatku tohto článku, s infláciou to má v skutočnosti spoločné len veľmi málo.
Tak prečo to tam píšu? K tomu sa asi najrýchlejšie dostaneme tak, že si položíme otázku, kedy a ako bola Weinberg-Salamova symetria narušená. Na tejto zdanlivo hlbokej otázke je najzaujímavejšie to, že jej hĺbka je len zdanlivá. V skutočnosti je to síce sugestívna, ale zmätočná otázka.
Prečo? Pretože z toho, že je symetria narušená, ešte nevyplýva, že muselo dôjsť k jej narušeniu. Ležiaca ceruzka nemusela nikdy stáť na špičke, guľôčka pod kopčekom nemusela nikdy stáť na jeho vrchole. Isteže, elementárny jazykový cit väčšinu z nás akosi automaticky vedie k predpokladu, že to, čo je narušené, sa muselo niekedy v minulosti narušiť, ale to je záležitosť skôr psychologická než logická.
Pozoruhodné je, že aj medzi fyzikmi sa nájde dosť takých, ktorí dávajú v tomto prípade prednosť psychológii pred logikou. Otázku, kedy došlo k spontánnemu narušeniu kalibračnej symetrie, preto považujú za nástojčivú a odpoveď, že to bolo krátko po big-bangu, za uspokojujúcu.
Zaujímavé v tejto súvislosti je, že už pomerne dávno navrhovalo niekoľko osvietených duchov, aby sa v časticovej fyzike namiesto termínu „spontánne narušená symetria“ používal termín „skrytá symetria“. Keby sa to ujalo, nemuseli by sme dnes čítať na stránke CERN-u také čudné tvrdenia. Aj keď, ktovie. Možno by nám tam kládli hlbokomyseľnú otázku, kto vlastne tú symetriu skryl. A potom by nám slávnostne oznámili, že to bol Higgsov bozón.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.