E-kniha: Globální struktura vesmíru - Jan Mazanec

Jan Mazanec

GLOBÁLNÍ STRUKTURA

VESMÍRU

© Ing. Jan Mazanec (janmazanec@email.cz)

Recenzoval: Ing. Jiří Havlíček

Jazyková korektura: Ing. Jarka Kovaříková

Grafická úprava: Barbora Trnková & Tomáš Javůrek

Grafická úprava obálky: Anita Somrová

Sazba a zlom: Tomáš Javůrek

Ilustrace: Martin Salajka, Samuel Paučo, Oldřich Morys, Marek Hlaváč, Tomáš

Hodbboď, Tomáš Javůrek & Barbora Trnková. (Výběr děl vychází z kurátorského

projektu Jany Písaříkové a Tomáše Hodbodě Kraj-jinné meze, realizovaném vGale

rii města Blanska 2. 3. – 27. 3. 2013, jehož byla maketa této knihy také součástí.)

Vydal: Tomáš Javůrek v Brně 2015 (sídlo: Podnásepní 380/12, 602 00 Brno-Trnitá)

ISBN 978-80-906173-0-8

3

Snad každému člověku se při pohledu na zářící a jasnou noční oblohu zatají dech

nad hloubkou mrazivého, zdánlivě nekonečného prostoru posetého tisícihvězda

mi. Po staletí si člověk s rozechvěním kladl stejné otázky. Kde jsou hranicevesmí

ru? Co se skrývá mezi zářícími hvězdami, je tam někde skryta odpověď na otázky

po vzniku hmotného světa, prostoru a času? Pokud vás z představ nekonečnosti

a prázdnoty prostoru mrazí a chodíte s hlavou zakloněnou, potom právě vám je

tato kniha určena.

Pohledem na nebe prostým okem spatříme jen nepatrný zlomek viditelnéhoves

míru, a to pouze z nejbližšího okolí našeho Slunce. Náš zrak nám dovolí rozlišit

pouze necelých 6 000 hvězd, v příznivých obdobích lze spatřit 5 planet našíSlu

neční soustavy, několik málo uskupení kulových či otevřených hvězdokup,ml

hovin a galaxií. Sestrojení prvních dalekohledů posunulo hranice poznatelného

vesmíru a jeho struktury mnohem dále a ovlivnilo naše poznání z mytologického

pohledu na vesmír k racionálnímu. Rozvoj přístrojové a kosmické techniky, nejen

v optických, ale i v dalších spektrálních oborech záření vesmírných objektů nám

umožnil stanout téměř na samém okraji časoprostoru. Je naše současné poznání

objektivní, zobecnitelné, nebo jde jen o jednu z cest, částečně odpovídající našim

zkušenostem a schopnostem chápání a omezenou představivostí? Je vůbec vmož

PŘEDMLUVA

4

nostech přírody či v jejím záměru, abychom byli schopni poznat vše?

V této knize přístupnou formou shrnuji aktuální vědecké poznatky o struktuře

pozorovatelného vesmíru. Současně vám představím některé modely a teorie,kte

ré se v současné době pokouší vysvětlit jeho historii, současné a budoucí chování.

Kniha má otevřený konec, nepřisvojuje si právo být moudřejší než příroda.

Budoucí vývoj vědy jistě poopraví, zpřesní či dokonce nahradí některé teorie,

omyly a naděje, samozřejmě za předpokladu, že odvěkou lidskou touhu po poznání

a pravdě nezahubí omezenost, bezduchost, nesvoboda a násilí.

Prostor vesmíru, respektive to, co chápeme jako prostor expandující s nejvyšší

pravděpodobností současně s časem od vzniku vesmíru, je z globálníhohledis

ka homogenním způsobem zaplněn hmotou a energií. Dnes se domníváme, že jen

malá část hmoty ve vesmíru – cca 5 % – je baryonové (atomární) povahy. Z těchto

pouhých 5 % je jen 1 % svítící baryonové hmoty, tj. to, co můžeme zrakem čipomo

cí techniky přímo pozorovat, a zbylá 4 % tvoří tzv. nesvítící baryonová hmota. Asi

27 % hmoty vesmíru je tvořeno temnou hmotou pro nás doposud neznámépova

hy. Její existence se předpokládá na základě projevujících se gravitačních účinků

na rozlehlé vesmírné objekty. Zbylých 68 % tvoří temná energie, která jeprav

děpodobně tvořena kvantovými fluktuacemi vakua a je za hranicemi současných

možností pozorování. Složení vesmíru patří k jedné z největších záhad současné

fyziky. Naše znalosti vesmíru jsou nejdále v poznání oněch 5 % baryonové hmoty.

Úsilí velké části vědeckého světa je v současné době věnováno právě výzkumu

temné hmoty a temné energie. Výzkumy se realizují ve vazbě na poznání nejen

makrosvěta, ale v úzkém spojení s vývojem poznání v oblasti kvantové fyziky,kte

ré může napovědět mnohé o procesech vzniku a vývoje vesmíru. Tétoproblemati

ce se budeme věnovat i v naší knize.

Co tedy můžeme zahrnout do těchto 5 % pro nás známé hmoty baryonové povahy?

Patří sem především hvězdy, planety, mezihvězdná a meziplanetární hmota,hvěz

dokupy, mlhoviny, galaxie. Přírodní zákonitosti, jimž podléhají, jsme v současné

době schopni popsat ať již klasickou, relativistickou či kvantovou fyzikoupoměr

ně přesně, a jsou potvrzeny i pozorováním.

V první části knihy jsem zaměřil svou pozornost na základy astrofyziky, popisující

oněch nepatrných 5 % baryonové hmoty. Věřím, že i zde nalezne pozorný čtenář

5

mnoho úchvatného a usnadní mu to základní orientaci v problematice chování a

vývoje vesmírných objektů. Dotkneme se i základů jaderné a kvantové fyziky,kte

ré čtenáři posléze umožní nalézt spojitosti mezi chováním hmoty v mikrosvětě a

makrosvětě.

Brno 2014 Jan Mazanec

OBSAH

PŘEDMLUVA 3

1 Vesmír a mikrosvět 10

1.1 Standardní model mikrosvěta 11

1.2 Leptony 15

1.3 Kvarky 18

1.4 Intermediální částice 22

1.5 Bosony 26

1.6 Fermiony 27

1.7 Higgsovy částice 28

1.8 Korpuskulárně vlnový dualismus 29

1.9 Symetrie v přírodě 32

1.10 Hranice kvantového světa 37

1.11 Kde se vzala ve vesmíru hmota 41

1.12 Gravitace, prostor a čas 46

2 Hvězdy a jejich základni charakteristiky 65

2.1 Měření vzdáleností ve vesmíru a jejich jednotky 71

2.2 Velikosti a hmotnosti hvězd 76

2.3 Zdroje záření 79

2.4 Spektra hvězd a jejich třídění 82

2.5 Stavba hvězd a zdroje zářivé energie 94

3 Zrození hvězd a hvězdný vývoj 100

3.1 Hvězdy s hmotností podobné Slunci a nepřekračující 10 M

s

104

3.2 Hvězdy s hmotností překračující 10 M

s

107

3.3 Hvězdy s extrémní hmotností převyšující 50 M

s

112

4 Galaxie 117

4.1 Stavba naší Galaxie 123

4.2 Mlhoviny 127

4.3 Otevřené hvězdokupy 132

4.4 Kulové hvězdokupy 133

5 Galaktické skupiny, kupy a nadkupy 136

6 Kosmologie, vznik a vývoj vesmíru 140

6.1 Rozpínání vesmíru 142

6.2 Inflační model 150

6.3 Geometrie vesmíru 152

ZÁVĚR 155

PŘÍLOHY 157

Ilustrace č. 1: Tomáš Hodboď. Rhapsody_1_(live & death). Video 1‘ 30“. 2013.

10

∙ 1 ∙

VESMÍR A MIKROSVĚT

Hvězdy, které každou jasnou noc ozařují naši oblohu, jsou naší bránou poznáníves

míru. Jsou pojítkem mezi pozemským a vesmírným prostorem. Dnes již o nich víme

poměrně mnoho a domníváme se, že s vysokou pravděpodobností pro jejich stav a

vývoj platí stejné fyzikální zákony jako na Zemi. Víme také, že některé jejich chování

na počátku a konci vývoje je teorií a lidskou představivostí jen těžko uchopitelné.

Informace o hvězdách či obecně o vesmíru získáváme prostřednictvím rozboru a

analýzy záření, které se po cestě vesmírným prostorem dostane až do našichdale

kohledů či měřící techniky. Zdrojem těchto informací z hvězd a mezihvězdnéhopro

storu jsou procesy probíhající na úrovni mikrosvěta. Proto tuto kapitolu o hvězdách

začneme úvodem do světa elementárních částic. Znalost a studium chování hmoty

a energie v mikrosvětě je klíčem ke studiu či alespoň k představě o chování velkých

struktur hmoty, vesmíru v minulosti, současnosti i budoucnosti. Pochopení chování

mikrosvěta nám přiblíží i těžko představitelné vlastnosti vakua, které nejspíšetvo

ří oněch 68 % materiální podstaty vesmíru – temné energie.

V úvodu této knihy jsem se zmínil o své snaze vytvořit popis stávajícího poznání

našeho vesmíru populární a přístupnou formou. V některých částech se bohuželne

vyhneme použití jednoduché matematiky, která usnadní a zpřesní popis předmětu

11

Standardní model mikrosvěta

dané kapitoly. Většinou však nepřekročí svojí náročností znalosti získanéabsolvo

váním kurzů matematiky na středních školách. Je třeba chápat matematiku jako

nástroj, jazyk, který svojí extrémně symbolickou povahou zestruční jinakzdlouha

vý a explikativní slovní popis vzájemných vazeb mezi popisovanými veličinami a

umožní nám opakovatelné použití či analýzu chování při změnách vstupních veličin

a sledování vývoje v čase

[1]

.

1.1 Standardní model mikrosvěta

Ilustrace č. 2: Tomáš Hodboď. Video skica. Video-montáž. 2013.

Z pozorování chování hmoty v prostoru kolem nás víme, že se může projevovat jak

v podobě hmatatelné, jako látka, nebo v podobě různých druhů polí či záření.Může

me dokonce považovat tuto skutečnost za projev jednoho a téhož, o čemž vypovídá

i známý jednoduchý vztah E = mc

2

= hν, kde je zobrazeno jednoduché a kouzelné

rovnítko mezi částicemi látky, zářením a energií. V tomto vztahu je E energie, m

hmota, c rychlost světla, h Planckova konstanta a ν frekvence záření. Částice hmoty

se mohou chovat jako vlnění a naopak vlnění jindy jako hmotné částice, tzv. kvanta.

[1] Pokud není uvedeno jinak, nejsou v textu pro zjednodušení rozlišeny vektorové veličiny od skalárních.

12

VESMÍR A MIKROSVĚT

Ale začněme od počátku.

To, co jsme nazvali látkou, se může nacházet v přírodě v různých tzv. skupenstvích.

Hovoříme o skupenství degenerovaného plynu, pevn ém, kapaln ém, plynn ém a

plazmatickém. Látka může své skupenství změnit. K této změně nedocházísamovolně, ale vždy za působení vnější energie.

Dále látku rozdělujeme podle charakteristických vlastností na tzv. prvky – např.

zlato, měď, železo, kyslík, uran atd. Za základní stavební částici prvku považujeme

atom. Mendělejev v roce 1869 seřadil známé prvky podle hmotností atomů avytvořil tak dnes po něm pojmenovanou Mend ělejevovu tabulku prvků. V současnosti

tato tabulka obsahuje 117 prvků, z nichž se 94 vyskytuje na Zemi v přírodní podobě.

Mendělejev měl zařazeno v tabulce původně jen 63 prvků, ale díky geniálnímuzákonu periodicity dokázal předpovědět dalších deset prvků, které byly pozdějiskutečně objeveny.

Atomy považujeme za chemicky nedělitelné. Fyzika jde však dále.

Na začátku dvacátého století se ukázalo, že atom není nedělitelný, ale skládá se z

jádra a elektronového obalu. Vlastní jádro obsahuje částice s kladnýmelektrickým nábojem – protony a částice

[2]

bez náboje – neutrony. Tyto částicenazýváme nukleony. Obal jádra tvoří elektrony, částice se záporným elektrickým nábojem.

Atomy prvků charakterizují následující čísla:

A – nukleonové číslo, Z – protonové číslo a N – neutronové číslo.

Přitom platí, že:

A = N + Z

Protony a neutrony jsou v jádru vázány jadernými silami. Rozměry atomových jader

jsou řádově 10

-15

m. Elektrony jsou vázány k jádru elektrostatickými silami aspolečně s jádrem tak tvoří atom o rozměrech řádově 10

-10

m.

[2] O částici hovoříme v mikrosvětě, pokud její existence překročí čas minimálně 10

-26

s. Pokud je doba její

existence kratší, hovoříme o tzv. rezonanci a nikoliv o částici. Pokud budete mít v následujícím textupocit, že občas nerozlišuji ve výkladu záření, tj. jeho vlnový charakter a částicový charakter a občas je mezi

sebou prohazuji, věřte, že příroda to takto připravila a v části věnované kvantově vlnovému dualismu si

tuto schválnost přírody pokusíme vysvětlit. K základním charakteristikám elementárních částic patříklidová hmotnost, elektrický náboj, spin, magnetický moment, podivnost, izospin, parita, leptonové čibaryonové číslo.

13

Standardní model mikrosvěta

V základním stavu je počet protonů a elektronů v atomu stejný a atom se chová jako

elektricky neutrální, tedy bez náboje. Počet a rozložení elektronů v elektronovém

obalu vytváří charakteristické fyzikální a chemické vlastnosti látek. Každého jistě

napadne, jak je možné, že se jádro nerozpadne, když kladně nabité protony by se

měly odpuzovat a ne vázat v celek, či proč záporně nabitý elektron není protonem

s kladným nábojem přitažen a nespojí se s ním? Jsou protony a neutronyskuteč

ně elementární částice? Existují i jiné částice? Co drží tyto částice pohromadě? Na

tyto otázky lze odpovědět jen tehdy, pokud se hlouběji ponoříme do studiakvan

tové fyziky. Pokusím se alespoň částečně poodhalit tato tajemství mikrosvěta, jež

vám umožní lépe pochopit chování hmoty ve hvězdách, galaxiích či ve vesmíru jako

celku. Začnu nejprve tzv. standardním modelem (SM) mikrosvěta, který shrnuje

prakticky všechny poznatky současné vědy o elementárních částicích. SM nemusí

být definitivní teorií mikrosvěta, ale popisuje jej na současném stupni poznání. A

přesto, že je jednou z nejlépe experimentálně potvrzených teorií, nevysvětlujeně

které skutečnosti, jako například vznik baryonové asymetrie a další. Teorie vespo

jení s experimenty a pozorováním však zatím stoprocentně potvrzuje, že pokud by

byl mikrosvět jiný, musel by být jiný i vesmír.

Základní třídění standardního modelu elementárních částic provádíme podlero

dové příslušnosti a statistického chování. Elementární znamená ned ěliteln é, tedy

bez vnitřní struktury.

14

VESMÍR A MIKROSVĚT

Rozdělení elementárních částic podle rodové příslušnosti

Leptony

Patří sem elektrony, jejich neutrina, miony, tauony a jejich

neutrina a příslušné antičá stice.

Kvarky

Částice, z nichž jsou složeny protony, neutrony a mezony.

Známe v současnosti šest kvarků – d, u, c, s, t, b a jejich

antičá stice.

Intermediální

částice

Částice, zprostředkující interakce (částice pole – silovépů

sobení mezi částicemi).

Foton–elektromagnetická interakce.

W

–

, W

+

, Z

O

boson – slabá interakce.

Gluony 8 typů – silná interakce.

Graviton – gravitační interakce (zatím jen teoretickáčásti

ce).

Higgsovy

částice

Částice odpovědné za nenulovou hmotnost částic hmoty –

W

–

, W

+

, Z

O

.

Tabulka č. 1: Rozdělení elementárních částic podle rodové příslušnosti

Rozdělení elementárních částic podle statistického chování

Bosony

Mezony a všechny intermediáln í č ástice, tj. foton, W

–

,

W

+

, Z

O

, gluony.

Mají celočíselnou paritu.

Nesplňují Pauliho vylučovací princip.

Fermiony

Všechny leptony a kvarky. K fermionům také patří

částice, složené ze tří kvarků (tzv. baryony například

neutron, proton, Δ baryon, Λ hyperon, atd. Majípoločí

selný spin. Splňují Pauliho vylučovací princip.

Tabulka č. 2: Rozdělení elementářních částic podle statického chování

15

Leptony

1.2 Leptony

Ilustrace č. 3: Samuel Paučo. Před oponou 13. Komb. tech. na plátně. 230 x 200 cm. 2012.

16

VESMÍR A MIKROSVĚT

Skupina leptonů zahrnuje šest částic a jejich šest antičástic. K nim patří: elektron

e

-

, mion μ

-

, tauon τ

-

, elektronové neutrino ν

e

, mionové neutrino ν

μ

a tauonové

neutrino ν

τ

.

Elektron e

-

byl objeven roku 1897. Je nositelem tzv. elementárního elektrickéhoná

boje o velikosti 1,6.10

-19

C, jeho hmotnost značíme m

e

a činí 9,1.10

-31

kg.Konfigu

race elektronů v elektronovém obalu atomu způsobují rozdílné chování atomů při

vytváření vyšších struktur, jako jsou krystaly či molekuly. Změny jehoenergetické

ho stavu jsou doprovázeny emitací (vyzářením) či pohlcením kvanta záření. Právě

změny energetických stavů elektronu jsou nepostradatelným zdrojem informací o

vesmíru a jeho tělesech. Pokud dojde k odtržení elektronu z elektronového obalu,

hovoříme o ionizaci. Antičásticí elektronu je pozitron a byl objeven roku 1930. Od

elektronu se liší pouze opačným znaménkem náboje. Elektron má dva větší,respek

tive hmotnější bratry, a to mion μ

-

a tauon τ

-

. Hovoříme o nich také jako o těžkém

a supertěžkém elektronu. Mion μ

-

má hmotnost 207 m

e

. Tauon τ

-

je supertěžký

elektron s hmotností 3484 m

e

.

Tito sourozenci elektronu e

-

mají rovněž schopnost vázat se v elektronovém obalu k

jádrům atomů. Kromě stejného záporného elementárního náboje a spinu rovnému

½ mají ještě jednu podivnou vlastnost. Při všech interakcích jsou doprovázenypart

nerskými částicemi bez náboje – neutriny. Elektron elektronovým neutrinem ν

e

,

jehož existence byla potvrzena v roce 1956, mion mionov ým neutrinem ν

μ

, jehož

existence byla potvrzena v roce 1962, a tauon tauonov ým neutrinem ν

τ

objeveným

v roce 1977. Neutrina jsou částice bez náboje a neúčastní se elektromagnetickéinte

rakce, naopak se aktivně zapojují do interakce slabé. V literatuře bývají častosesta

vovány do takzvaných dubletů, tvořících generace. V dubletu jsou částice, které se v

tzv. slabé interakci chovají jako jedna částice a nelze je rozlišit. Elektromagnetická

interakce je rozlišuje – jinak se chová částice s nábojem a jinak ta bez náboje, která je

nezachytitelná v rámci elektromagnetické interakce. S dubletem první generace se

běžně v přírodě, respektive ve vesmíru setkáváme. Dublet druhé generace jevzác

nější a je možno se s ním setkat ve světě vysokých energií. Dublet třetí generace se

již v přírodě nevyskytuje, je možno ho vytvořit pouze uměle na urychlovačích. Při

vzniku vesmíru sehrály svoji roli všechny tři generace.

17

Leptony

1. generace 2. generace 3. generace

Jak miony, tak tauony jsou částice nestabilní. Miony se rozpadají v čase 2.10

-6

s na

elektron, elektronové neutrino a mionové neutrino. Tauon v čase 3.10

-13

s naelek

tron nebo mion a neutrina.

Přehled leptonů

lepton spin náboj hmotnost

e

-

1/2 -1 0,51 MeV

ν

e

1/2 0

μ

-

1/2 -1 105,7 MeV

ν

μ

1/2 0 0,07 eV

τ

-

1/2 -1 1777 MeV

ν

τ

1/2 0

Tabulka č. 3: Přehled leptonů

[3]

O chování elektronů se více dozvíme v části popisující elektromagnetické spektrum.

Všechny leptony se zúčastňují slabé interakce, a pokud mají náboj, tak i interakce

elektromagnetické.

[3] Jednotka elektronvolt (eV) je odpovídající kinetické energii, kterou získá elektron, urychlený potenciálem 1

V ve vakuu. Můžeme uvést vztah 1 eV = 1,602.10

-19

J. Ve světě elementárních částic se často používáodvo

zená jednotka hmoty v eV, opírající se o teorii relativity a vztah E = m.c

2

. Hmotnost elektronu dle soustavy

jednotek SI činí 9,1.10

-31

kg. Násobíme-li ji c

2

, c = 3.10

8

m/s a využijeme-li převodní vztah 1 eV = 1,602.10

-

19

J, vyjde nám hmotnost elektronu 0,51 MeV. Pro úplnost: zápis jednotek by měl být 0,51 MeV/c

2

. Veličina

c

2

se velkoryse pro zjednodušení zápisu vypouští. 1 eV = (1, 602176462± 0.000000063).10

−12

erg = (1,

602176462 ± 0.000000063).10

−19

J. VESMÍR A MIKROSVĚT 1.3 Kvark y Ilustrace č. 4: Oldřich Morys. BLANSKO (Nový E.). Kombinovaná technika. 2013. Kvarky jsou elementární částice, z nichž se skládají tzv. hadrony, k nimž patří i nukleony, tj. proton a neutron. Teoreticky byly předpovězeny v roce 1964 apotvrzeny experimenty na urychlovačích částic v roce 1969. Poslední kvark z šestice kvarků byl objeven až v roce 1994. Kvarky mají spin

[4]

rovný ½ a patří tedy zhlediska statistického chování mezi fermiony. Rozeznáváme 6 kvarků značených d, u, s, c,

[4] Spin je jednou z tzv. kvantových charakteristik částic. Přestože je elektron bodovou částicí, má vlastnímagnetické pole, podobné jako u rotující koule. Spin si lze představit jako vlastní hybnost rotující částice a jeho

hodnota se uvádí v násobcích redukované Planckovy konstanty ħ = h/2π = 1,05.10

-34

Js. Spin určujekvantově mechanické chování částic a jeho velikost rozděluje částice na fermiony a bosony. Podle typu průmětu

mají částice spin 0, ±1/2, ±1, ±11/2, ±2. Částice s poločíselným spinem nazýváme fermiony a platí pro ně

tzv. Fermiho–Diracova statistika řídící se Pauliho vylučovacím principem. Podle této statistiky může být v

daném souboru částic pouze jedna v daném energetickém stavu. Částice s celočíselným spinem nazýváme

bosony a platí pro ně Boseho-Diracova statistika.

19

Kvark y

b, t a jejich 6 antičástic, lišících se pouze v náboji. Jejich názvy jsou zkratkamipočá

tečních písmen slov down, up, strange, charm, bottom, top. Podobně jako leptony je

dělíme do dubletů tří generací.

1. generace 2. generace 3. generace

Jednotlivé generace se liší svými hmotnostmi, ostatní parametry jsou shodné. Proč

příroda připravila takovou paletu prakticky shodných elementárních částic, lišících

se jen hmotností, je jednou z největších záhad fyziky. Svět, který známe, je sestaven

z kvarků první generace. Z druhé se setkáme s kvarkem s, který byl objeven jako

součást kaonů. Kvark y c, b, a t umíme vytvořit pouze v urychlovačích. Podobně jako

všechny generace leptonů, i kvarky sehrály svoji roli v období vysokoenergetického

raného vesmíru.

Přehled kvarků

kvark spin náboj náboj

d 1/2 -1/3 7 MeV

u 1/2 +2/3 5 MeV

s 1/2 -1/3 150 MeV

c 1/2 +2/3 1,4 GeV

b 1/2 -1/3 4,3 GeV

t 1/2 +2/3 176 GeV

Tabulka č. 4: Přehled kvarků

Kvarky působí v hadronech mezi sebou tzv. silnou interakcí krátkého dosahu.In

termediální částicí silné interakce jsou gluony. Vazba mezi kvarky je svýmcharak

terem pozoruhodná – s rostoucí vzdáleností její intenzita roste, v těsné blízkosti je

20

VESMÍR A MIKROSVĚT

nulová. Zbytkovým projevem této silné interakce je vázání protonů a neutronů do

atomových jader. Zbytková silná interakce tedy překonává elektrické odpudivé síly

protonů se shodným kladným nábojem. Velká jádra s velkým počtem nukleonů se

však stávají nestabilní a dochází k uvolnění části. Jde o přirozený rozpad.

Kvarky při současných relativně nízkoenergetických experimentech nelzepozoro

vat jako samostatné částice. Jejich existenci dokazují rozptylové experimenty při

srážkách hadronů. Vysokoenergetické srážky zpřetrhají silové vazby, držícípo

hromadě hadrony, a způsobují vznik kvark-gluonového plazmatu. Inflační teorie

vzniku vesmíru předpokládá, že hmota vesmíru byla v čase t = 20 [μs] tvořenaprá

vě kvark-gluonovým plazmatem.

Každý kvark se může vyskytnout ve třech modifikacích – kvantových stavech.Fyzi

kové je označili jako barvy – červená, zelená, modrá. Hovoříme rovněž o tzv.barev

ném n áboji. Samozřejmě se nejedná o skutečné barvy tak, jak je známe díkynaše

mu zraku. Vlnové délky těchto barev v optickém spektru jsou nesrovnatelně větší

než velikost kvarků. Jde o formální rozlišení kvarků se specifickými vlastnostmi a

fyzikové si toto měřítko zvolili díky své pozoruhodné fantazii.

21

Kvark y

Hadrony

Baryony

název spin náboj hmotnost kvarky

proton 1/2 +1 938 MeV uud

neutron 1/2 0 937 MeV ddu

hyperon Λ 1/2 0 937 MeV uds

hyperon Σ+ 1/2 +1 937 MeV uus

hyperon Σ- 1/2 -1 937 MeV dds

hyperon Σo 1/2 0 937 MeV uds

hyperon Ω 3/2 -1 937 MeV sss

Mezony

pion π

+

, π

-

0 1 139 MeV ud ́, du ́

pion π

o

0 0 134 MeV

kaon K

+

, K

-

0 1 493 MeV us ́, su ́

kaon K

0 0 497 MeV ds ́

částice J/ψ 1 0 3460 MeV

částice y 1 0 9460 MeV

Tabulka č. 5: Hadrony – ukázka skladby malé části částic tvořených kvarky. Mezony jsouslože

ny vždy z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Baryony obsahující podivný kvark s nazýváme

hyperony.

[5]

[5] Je nutno se smířit s tím, že v mikrosvětě platí tzv. princip neurčitosti, podle něhož je možno změřit přesně jen

jednu z dynamicky spjatých fyzikálních veličin. S rostoucí přesností jedné změřené veličiny klesá přesnost

veličiny jiné až k naprosté neurčitosti. To platí i u momentu hybnosti coby vektorové veličiny. Čím přesněji

jsme schopni měřit či definovat složku vektoru x, tím více roste neurčitost složek y a z. Totéž se týká i polohy.

Čím přesněji zaznamenáme či měříme polohu, např. v ose x prostoru, tím neurčitější je hybnost částice v ose

y. Hovoříme o Heisenbergrových relacích neurčitosti.

22

VESMÍR A MIKROSVĚT

1.4 Intermediáln í částice

Ilustrace č. 5: Martin Salajka. Pes. Olej na plátně. 40 x 40 cm. 2012.

V minulosti vesmíru, kdy jeho teplota a energie měly nesrovnatelně vyšší hodnoty,

se v něm vyskytovaly všechny výše uvedené elementární částice. Vzájemně na sebe

působily interakcemi a vytvářely vyšší struktury. Roli zprostředkovatelů zdese

hrály i intermediáln í č ástice.

V současnosti rozeznáváme čtyři interakce, kterými elementární částice mezise

23

Intermediáln í č ástice

bou působí. Mezi tyto fundamentální interakce patří gravitační,elektromagnetic

ká, siln á a slab á. Interakce se projevují působením sil, které zprostředkovávajíin

termedi áln í částice (bosony), někdy nazývané poln í částice, částice pole. Částice

interakcí mají spin rovný 1. Někdy bývá částicová interakce srovnávána schemic

kou vazbou, která vznikla sdílením jednoho elektronu mezi dvěma atomy. Výměnu

intermediálních částic lze chápat jako jejich sdílení. Klasický způsob chápánívzá

jemného působení částic jako newtonovské silové působení opustila jak kvantová

fyzika, tak i Albert Einstein (1879 – 1955) v obecné teorii relativity, kde je silové

gravitační působení těles nahrazeno křivostí prostoru. Elektromagnetická, silná

a slabá interakce jsou popsány kalibrační kvantovou teorií. Tyto interakce jsou

zprostředkovány třídami kalibračních č ástic, které jsou kvanty tzv. kalibračních

pol í.

Graviton – gravitační interakce působí univerzálně bez ohledu na to, zda se jedná

o působení na látku, její částice či záření. Má nekonečný dosah, její účinky klesají

se čtvercem vzdálenosti, je nejslabší interakcí a hraje v mikrosvětě zanedbatelnou

úlohu. Samozřejmě jinak je tomu v makrosvětě, zejména pak v globálníchstruktu

rách vesmíru. Intermediálním bosonem by měl být teoretický doposud neobjevený

graviton. Gravitace má pouze jeden náboj – hmotnost. Gravitace má nekonečný

dosah a nelze ji odstínit, nemá znaménko náboje. Je vždy přitažlivá, samozřejmě

podle námi známého chování a stupně poznání. Kvantov á teorie gravitace stále

není úplná a čeká na potvrzení existence gravitonů, není tedy zatím experimentálně

ověřená. Zatím byla nepřímo potvrzena existence gravitačních vln ve vesmíru u

binárních pulsarů. Gravitace je úspěšně popsána obecnou teorií relativity.

Foton – kalibrační částice elektromagnetické interakce, respektive její popis a

teorie, vznikly sjednocením základních interakcí, a to magnetické a elektrostatické.

Elektromagnetickou interakcí na sebe působí částice s elektrickým nábojem. Změny

elektrického pole generují vznik pole magnetického a obráceně. Toto chovánídoko

nale popsal James Maxwell koncem devatenáctého století, a je shrnuto do čtyřrov

nic popisujících chování elektromagnetického pole. Tato Maxwellovaelektromag

netická teorie byla v rozporu s výsledky experimentů fotoelektrického jevu. Max

Planck a zejména pak Einstein podali jednoduché vysvětlení, že se energie předává

ne kontinuálně, ale v elementárních kvantech, kde je přímo úměrná frekvencielek

tromagnetického záření.

Tyto objevy se staly základem kvantov é teorie elektromagnetického pole, naje>