Pátá přírodní síla – pokusíme se to vysvětlit

Možná jste tento týden zaznamenali titulky o objevu páté základní přírodní síly. Možná jste si o tom i něco málo přečetli, ale pak jste pravděpodobně přestali číst, protože… částicová fyzika, kvanta, bosony, nosiče sil…

Odstupte od článků:

Pokud si pamatujete něco z fyziky, kterou jste se učili ve škole, je možné, že si vzpomenete, že existují čtyři základní přírodní síly.

Jsou to bez určení pořadí gravitace, elektromagnetismus, slabá jaderná síla a silná jaderná síla.

Pátá? Mám znát další čtyři?“

Gravitaci je poměrně snadné pochopit: jakékoliv dvě věci, které mají hmotnost (atomy, lidé, planety, hvězdy), jsou k sobě přitahovány. Čím větší je hmotnost, tím silnější je přitažlivost. Jednoduché.

Elektromagnetismus? To je jednoduché, je to elektřina a magnetismus dohromady. Ano, ale to nevysvětluje, jak to funguje. Elektromagnetická síla vysvětluje, jak na sebe vzájemně působí věci, které jsou elektricky nabité (kladně nebo záporně). Jedním z hlavních poznatků je, že magnetický náboj může vytvořit elektrický náboj a naopak. Tyto interakce jsou zodpovědné za výrobu elektrické energie, což je docela velká věc. Elektromagnetismus a to, jak tlačí a táhne předměty, je zodpovědné za energii ve věcech, jako jsou baterie a magnety, ale zahrnuje také světlo, což jsou právě vlny elektromagnetického záření.

Další dvě jsou slabá a silná jaderná síla, a přestože jsou obě silnější než gravitace, působí pouze v malých prostorech mezi atomy a ještě menších prostorech, kde kvantová fyzika začíná dělat všechno opravdu divně.

Silná jaderná síla je ve skutečnosti nejsilnější ze čtyř známých sil a v podstatě lepidlo, které všechno spojuje dohromady. Je zodpovědná za udržování stability protonů a neutronů (které spolu s elektrony tvoří atomy) a těm pak umožňuje vázat se do atomových jader. Slabá síla je naopak zodpovědná za radioaktivní rozpad, je opakem silné síly, řídí, jak se věci na jaderné úrovni rozpadají. A mimochodem, je zodpovědná za termojadernou fúzi a udržuje naše Slunce jasné a teplé.

To jsou čtyři síly, aniž bychom se příliš zabývali tím, jak tyto věci fungují.

Tak co pátá síla?

Ale musíme trochu zabřednout do plevele, protože potřebujeme vědět, co vlastně způsobuje, že gravitace nebo některá z ostatních sil dělá svou práci.

Začne se jedno těleso s hmotností jen tak zázračně pohybovat směrem k jinému hmotnému tělesu? Ne, to umožňují věci, kterým se říká nosné částice síly. Nosiče sil jsou částice, které přenášejí informace mezi věcmi a říkají jim, jak se mají chovat. Představte si nosiče sil jako malé kapesní ústavy pro každou ze čtyř základních sil. Stanovují nejen všechna pravidla, jak se chovat, ale také nutí síly (ha), aby se podle těchto pravidel chovaly.

Nosiči sil pro gravitaci jsou hypotetické věci zvané gravitony, pro elektromagnetismus jsou to fotony. Pro slabou jadernou sílu se nositelé nazývají částice W a Z a pro silnou jadernou sílu gluony. Všechny tyto nosiče sil jsou klasifikovány jako příklady bosonů.

Loni si však skupina fyziků z Maďarské akademie věd všimla něčeho, co katedra fyziky Kalifornské univerzity v Irvine (UCI) nazvala „záhadnými anomáliemi ve svých experimentálních datech“. Maďaři si nebyli jisti, o jaké anomálie se jedná, ale ukazovaly na existenci nového druhu světelné částice. Dál už se nedostali. Nebyli schopni zjistit, zda tato nová částice má hmotnost, nebo zda se jedná o nový druh bosonu bez hmotnosti, jako je foton.

Naneštěstí, abychom parafrázovali Abrahama Lincolna, svět si práce maďarských vědců „málo všímal a dlouho si ji nepamatoval“.

S výjimkou týmu fyziků vedeného Jonathanem Fengem, profesorem fyziky a astronomie na UCI. Spolu se svým týmem se Feng podíval na práci Maďarů, dal dohromady řadu dalších podobných experimentů a rozhodl, že Maďaři možná ve skutečnosti objevili nový druh bosonu přenášejícího sílu.

„Někdy,“ říká Feng, „mu také říkáme prostě boson X, kde X znamená neznámý.“ Pokud mají pravdu, nová částice nositele síly znamená, že musí existovat nová síla, pátá fundamentální síla.

Práce týmů byla právě publikována v časopise Physical Review Letters. „Pokud je to pravda, je to revoluční,“ řekl Feng. „Po desetiletí jsme věděli o čtyřech základních silách… tento objev možné páté síly by zcela změnil naše chápání vesmíru, což by mělo důsledky pro sjednocení sil a temnou hmotu.“

A ne, k temné hmotě se v tuto chvíli ani nedostaneme.

Takže kde se tato síla skrývala? Feng říká, že byla v minulosti jednoduše přehlédnuta. „Její interakce jsou velmi slabé,“ říká Feng.

Ale dodává: „V malých laboratořích po celém světě pracuje mnoho experimentálních skupin, které mohou navázat na původní tvrzení, když už vědí, kde hledat.“

Co tedy dělá a co to znamená?

Tato nová síla je velmi podobná elektromagnetismu, ale podle Tima Taita, který je spoluautorem článku, „zatímco normální elektrická síla působí na elektrony a protony, tento nově objevený boson interaguje pouze s elektrony a neutrony – a to v extrémně omezeném rozsahu.“

Je však zapotřebí dalšího výzkumu, abychom přesně určili, co TO znamená, pokud jde o fungování fyzikálního světa.“

Jestliže se tedy tato nová síla potvrdí, co by to znamenalo pro naše chápání světa? To zatím neví ani Feng. Ale o spekulace není nouze. Mohla by vědcům pomoci najít svatý grál fyziky, Velkou jednotnou teorii. Tato pátá síla by mohla pomoci sjednotit působení elektromagnetické, slabé a silné jaderné síly, „projevy“, říká Feng, „jedné větší, fundamentálnější síly“.“

Dlouho bylo snem fyziků zjistit, zda nebo jak elektromagnetizmus a silná a slabá jaderná síla fungují společně, a tato nová síla by mohla být velkým kouskem této skládačky.

Pokud se nám podaří prokázat existenci této páté síly, mohlo by nás to přiblížit o krůček blíže ke skutečnému pochopení fungování našeho vesmíru.

Je to jasné?