Renomovaný fyzik uznává, že „ezo-banda“ má pravdu a my se opravdu skládáme z energie
dr. Don Lincoln
Kdybych se vás zeptal, odkud pochází hmota, jež tvoří vaše tělo, možná by vaše odpověď zahrnovala těch pár muffinů navíc, co jste si tuhle dali. Kdybych nicméně tutéž otázku položil nějakému nadšenci do vědy, pravděpodobně by mi řekl, že hmota má původ ve fyzikálním jevu zvaném Higgsovo pole. Ačkoli se s tímto tvrzením často setkáváme v populárně-vědeckých příbězích, ukazuje se, že vůbec není pravdivé. Ve skutečnosti se Higgsovo pole podílí na hmotnosti vesmíru jen velmi málo. Realita je mnohem zajímavější.
Nejprve se podívejme na to, proč vědecký tisk tvrdí, že Higgsovo pole dodává objektům hmotnost.
Higgsovo pole
S teorií Higgsova pole přišli fyzikové v 60. letech a jejím primárním účelem bylo posloužit jako náplast na otvory zející v jiné teorii, jež byla tehdy v kurzu. Ta říkala, že dvě ze známých kvantových sil – elektromagnetismus a slabá jaderná síla – jsou ve skutečnosti dvěma projevy jedné základní síly: elektroslabé síly. (Elektromagnetismus je zodpovědný za elektřinu, magnetismus, světlo a velkou část chemie, zatímco slabá jaderná síla je zodpovědná za některé formy záření.)
Podobně jako víme, že led a pára jsou jen různé formy vody, měly být tyto dvě zdánlivě odlišné síly jen různými způsoby pohledu na stejnou věc. S touto novou, sjednocenou silou byl nicméně problém – pokud měla být teorie pravdivá, musely by všechny subatomární částice mít nulovou hmotnost. Nicméně již ve 30. letech 20. století se vědělo, že toto není pravda, takže měla teorie elektroslabé síly namále. Skupina fyziků však v polovině 60. let přišla s možností existence energetického pole (dnes nazývaného Higgsovo pole), jež některým částicím poskytuje hmotnost, ale jiným ne.
Tato teorie Higgsova pole předpověděla existenci částice zvané Higgsův boson, lidově zvané „božská částice“. Higgsův boson byl objeven v roce 2012 vědci pracujícími v evropské laboratoři CERN. Jeho objev potvrdil platnost elektroslabé teorie.
Je pravda, že Higgsovo pole dodává hmotnost některým subatomárním částicím, jako je například známý elektron, a také třídě částic zvaných „kvarky“, které se nacházejí uvnitř protonů a neutronů. Kvůli tomu také novináři a vědečtí nadšenci prohlašují, že Higgsovo pole nám poskytuje hmotnost.
„Hmoty“ jsou v devadesátikilovém člověku jen necelá dvě kila
Navzdory úspěchu Higgsovy teorie se ukázalo, že to tak úplně není. Ilustrujme si to na jednom příkladu – dejme tomu, odkud se bere hmotnost člověka, jenž váží 200 liber (90,7 kg). Zeptáte-li se chemika, odpoví vám, že hmotnost člověka je určena hmotností molekul, z nichž je složen. A když tyto molekuly zvážíte, zjistíte, že váží 200 liber.
Když se podíváme hlouběji, můžeme se zeptat: Jaká je hmotnost atomů, které tyto molekuly tvoří? Když je zvážíte, opět zjistíte, že váží 200 liber.
Uvnitř atomu se nacházejí protony a neutrony, jež tvoří jeho jádro, a také oblak elektronů vířících po obvodu. Protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotnost, zatímco elektrony jsou lehounké – váží asi 0,05 % hmotnosti protonů a neutronů. Elektrony tedy můžeme ignorovat, soustředíme se na protony a neutrony. Když sečteme jejich hmotnosti, dostaneme 199,9 liber (0,1 libry jde na vrub elektronům).
Až potud by se mohlo zdát, že hmotnost člověka spočívá v subatomárních částicích, z nichž se jeho tělo skládá; zde nám však vesmír začne házet klacky pod nohy. Každý proton a neutron obsahuje tři menší částice zvané kvarky. Dalo by se tedy očekávat, že když sečtete hmotnost kvarků, dostanete ono již poněkud nudné číslo 200 liber.
Jenže vy dojdete k jinému výsledku. Když sečtete hmotnost všech kvarků v našem dvěstělibrovém hypotetickém jedinci, zjistíte, že celkem váží asi 4 libry.
Odkud tedy pochází zbylých 196 liber? A tady to začíná být zajímavé. Odpověď naleznete, jak už to tak bývá, ve slavné Einsteinově rovnici E = mc2. Tato rovnice říká, že energie a hmotnost jsou ekvivalentní. Jak nám to pomůže?
Věc se má tak, že uvnitř každého protonu a neutronu se kvarky pohybují velmi vysokými rychlostmi; tyto rychlosti se mohou blížit rychlosti světla. Velmi vysoká rychlost znamená velmi vysokou energii a podle Einsteina velmi vysoká energie znamená velmi vysokou hmotnost. To ale není všechno.
Protony a neutrony jsou titěrné kuličky o průměru asi kvadriliontiny metru. Pokud se protony skládají z nehorázně rychlých kvarků držených silou v takto těsném prostoru, musí ty síly, jež je drží na místě, být pořádně velké. Velké síly znamenají vysokou energii, podobně jako má napnutý luk větší energii než luk s volnou tětivou.
Kdybyste si sečetli pohybovou a „zadržovací“ energii kvarků uvnitř protonů a neutronů, zjistili byste, že hmotnost člověka není tvořena „hmotou“ v tom smyslu, jak o ní obvykle uvažujeme, nýbrž energií. Ve skutečnosti je veškerá hmota tvořena energií. V jistém (velmi volně pravdivém) smyslu má pseudovědecká ezo-banda pravdu: Všichni jsme energie.
S pseudovědeckými tvrzeními lze zajít až moc daleko – a to se často stává. Ale myšlenka, že naše hmota není nic jiného než zběsilý pohyb drobných subatomárních částic, které drží pohromadě nepředstavitelné síly, nám přináší úplně jiný způsob uvažování o hmotě a energii. Věda nám opět ukázala, že realita je mnohem divnější, než si představujeme.
Dr. Don Lincoln je vedoucím vědeckým pracovníkem Fermilab, přední americké laboratoře částicové fyziky, a spoluautorem více než 1 500 vědeckých prací. Byl členem týmů, jež v roce 1995 objevily top kvark a v roce 2012 Higgsův boson. S oblibou se věnuje popularizaci vědy.
