Teorie popisující stavbu hmoty.

 

Vladimír Wagner

 

„Jsoucna by neměla být zmnožována, není-li to bezpodmínečně nutné“

 

                                William z Ockhamu

 

Ivo Vašíček uveřejnil v Neviditelném psovi už tři články (Máte správnou představu o hmotě?, Elementární částice není hmota, Kacířství hmoty), ve kterých představoval pohled na stavbu hmoty, který je velmi odlišný od pohledu současné fyziky. Dalo by se sice pouze konstatovat, že jeho články nepatří do rubriky věda, ale přesto bych se pokusil ten jeho a současný fyzikální popis porovnat.

Než budeme o teoriích popisujících hmotu diskutovat, je užitečné si zopakovat, co je věda. Jedná se o nástroj, který umožňuje poznání a popis objektivní reality. Existence něčeho, co existuje nezávislé na nás je základním předpokladem vědy. Věda nám pak dává metody, které nám umožňují objektivní a subjektivní část našeho poznání oddělit a najít popis objektivní reality - hmoty. Při hledání tohoto popisu se vytvářejí hypotézy, modely a teorie. Ty nám pak umožňují předpovídat chování hmoty a tyto předpovědi případně využívat. Základní vlastností vědecké hypotézy, modelu či teorie musí být, že dává předpovědi. A to předpovědi verifikovatelné, tedy takové, které lze vyvrátit nebo potvrdit. Další důležitou vlastností vědeckého popisu je, že používané pojmy musí být co nejjasněji definovány. Což ostatně souvisí i s tou nutností existence přesně definované předpovědi.

Je třeba říci, že předpovědi mohou být různého charakteru. Nemusí být přesně deterministické, ale i pravděpodobnostní. Zároveň se nelze divit, že, pokud popisujeme realitu na jiné rozměrové úrovni (v mikrosvětě) nebo v jiných velmi rozdílných  podmínkách (při vysokých rychlostech, energiích či teplotách ...), jsou její vlastnosti a chování velmi odlišné a v rozporu s našimi zkušenostmi z běžných podmínek. Pro popis je pak třeba použít jiné nové nástroje (teorie) – například kvantovou fyziku nebo speciální teorii relativity. Musí však platit, že použijeme-li tyto nové nástroje pro popis běžných podmínek, musí dát stejné výsledky jako staré klasické teorie. Nové teorie obsahují staré jako své limitní případy. Například Einsteinova teorie relativity obsahuje klasickou Newtonovu fyziku jako limitní případ pro malé rychlosti. Jaké zákonitosti a teorie platí, lze určit pouze experimentem a shodou výsledku popisu s pozorováním. To, jakým způsobem se sčítají rychlosti, jak se rozpadají částice, jestli mají vlnový či částicový charakter nebo obojí, může rozhodnout pouze experiment.  Jestliže dvě teorie dávají všechny předpovědi totožné a shodné s experimentem, nelze rozhodnout, která je správná. 

Je třeba připomenout, že velkým problémem při takové diskuzi na laické úrovni je, že velice často není jasné v jakém smyslu se používají jednotlivé pojmy a co přesně označují.  A každý pak mluví o něčem úplně jiném. Jak už bylo řečeno, je přesná definice základem vědecké diskuze.

To si můžeme dokumentovat právě na pojmu hmota. Velice často je třeba vědět v jakém kontextu se toto slovo používá, abychom věděli jaký má v daném okamžiku význam. Pokud se  použije ve smyslu filozofickém, půjde o pojem popisující objektivní realitu. Tak tomu je i v kontextu názvu našeho článku. V dalších oblastech však často nabývá úplně jiný smysl. Používání daného označení je ovlivněno historickým vývojem a může být pro člověka, který jeho definici nezná, hodně zavádějící. Jestliže o dámě řekneme, že je velmi hmotná, tak se určitě urazí, protože v daném případě ví, že máme na mysli její hmotnost. Stejně tak, jestli fyzik mluví o hmotných a nehmotných částicích, má na mysli hmotnost těchto částic. A to navíc ještě hmotnost velmi specifickou, kterou má daná částice v souřadné soustavě vůči které je v klidu – označuje se jako klidová hmotnost. Existují totiž částice, které se pohybují neustále a ve všech souřadných soustavách rychlostí světla a tyto částice mají nulovou klidovou hmotnost. Nejznámější takovou částicí je foton. V žargonu fyziků, zabývajících se elementárními částicemi, se takové částice označují jako nehmotné. Pokud se takové použití dostane k laikům, vede to často ke značným zmatkům. Současnou teorií stavby hmoty je často označována jako „standardní model hmoty a interakcí“. A částice v něm popisované rozděluje na částice hmoty a částice interakcí. A zde pojem hmota také  nevystupuje v kontextu toho klasického filosofického pojmu hmota, ale spíše odpovídá fyzikálnímu pojmu látka. Označení vznikalo z historického kontextu, který byl v době před poznáním kvantové teorie pole a „zrovnoprávněním polí a částic“. Žádný problém nenastane v případě, že tyto pojmy používá někdo, kdo se s fyzikou a definicí příslušných pojmů seznámil. Ovšem velký zmatek nastane v okamžiku, kdy se příslušného pojmu chopí někdo, kdo se neseznámil s jeho definicí a vyvozuje pak neoprávněné dedukce z výskytu slova hmota v něm.

Podívejme se tedy na teorie popisující stavbu hmoty, kterou předkládá současná fyzika, a na „informační teorii“, kterou nám tu předložil Ivo Vašíček.

Jak už jsem se zmínil, je současnou fyzikální teorií struktury hmoty standardní model hmoty a interakcí. Ta říká, že hmota je tvořena částicemi (kvarky a leptony), mezi kterými působí interakce (silná, elektromagnetická a slabá)  zprostředkované jinými částicemi (gluony, foton a W+,W-, Z0 bosony). Pro připomenutí kvarky tvoří například známé protony a neutrony a leptony jsou například elektron nebo neutrino. Všechny částice mají přesně dané hodnoty několika fyzikálních veličin (hmotnosti, náboje, spinu ...), které je spolehlivě definují.  Jejich rozměry jsou menší než 10-18 m (získáme je, když 1 m vydělíme číslem, které má za jedničkou 18 nul). To je nejmenší rozměr, který dokážeme v současnosti studovat. Je jasné, že nemohou být bodové, protože bychom dostali nekonečné hodnoty některých fyzikálních veličin (např. hustoty), Jaká je jejich struktura zatím ale nevíme. Víme jen, že je menšího rozměru než bylo zmíněno. Důležitou součástí standardního modelu jsou teorie popisující interakce. V nich jsou částice aproximovány bodem. Je to podobné tomu, že ve většině případů stačí při popisu pohybu planet ve sluneční soustavě či hvězd v Galaxii aproximovat tyto objekty body, i když víme, že body nejsou. Bodovost částic ve standardním modelu je i jedním z náznaků, že tato teorie není obecná a existuje širší, která ji v sobě zahrnuje a dokáže popsat hmotu ještě v extrémnějších podmínkách a detailněji. Standardní model obsahuje společný popis elektromagnetické a slabé interakce jednotnou elektroslabou teorií a teorii popisující silnou interakci. Úplně stranou pak stojí popis gravitace pomocí Einsteinovy obecné teorie relativity. Tato teorie není kvantová. Protože je gravitace velmi slabá, v mikrosvětě se za normálních podmínek neprojevuje. Fyzikové předpokládají, že hledané obecnější teorie nad standardním modelem umožní jednotný popis silné, elektromagnetické a slabé interakce, případně se podaří najít kvantovou teorii gravitace a sjednotit její popis s popisem ostatních interakcí.

Standardní model je velice úspěšný. Umožňuje popsat a předpovědět vlastnosti a průběh spousty jevů, projektovat i stavět detektory a řadu dalších fyzikálních zařízení. Některé fyzikální veličiny umožňuje spočítat s fantastickou přesností v úplné shodě se skutečností. Například magnetický moment elektronu lze určit na dvanáct platných cifer ve shodě s naměřenou hodnotou.

Existuje řada návrhů různých teorií, které jsou nad standardním modelem a sjednocují popis elektroslabé a silné interakci. Všechny jsou zatím pouhými hypotézami, ale předpovídají jevy (například nové částice), u kterých je šance,  že budou brzo v našem dosahu. Větší problém bude s ověřováním „finální“ teorie, která sjednotí popis všech interakcí. V této oblasti jsou nejžhavějšími kandidáty  hypotézy označované jako strunové teorie. Částice v nich jsou různými vibracemi nebodových objektů. Těmto objektům dali fyzikové název struny. Musíme však mít neustále na paměti, že se jedná o označení úplně nových objektů, které se strunami na kytaře nemají nic společného. Takže úvahy o tom, jak mohou vibrovat, když nemají upevněné konce, které se v laických diskuzích objevují, nemají smysl. Jsou to nové objekty a pokud opravdu existují, mají odlišné vlastnosti od normálních strun. Jejich rozměr by měl být 10-35 m (tady by už těch nul za jedničkou při dělení bylo 35), tedy hluboko pod našimi současnými rozlišovacími schopnostmi.

Podívejme se, co nabízejí „softwarové“ teorie původu našeho světa. Začněme u varianty, kdy by svět byl software běžící na nějakém „superpočítači“, tedy „klasický Matrix“. Odhlédněme od toho, že by nám v každém případě zůstal k řešení úkol určit stavbu hardwaru, a podívejme se, jestli by to bylo v principu realizovatelné. Základní problém je, že velká část rovnic a úloh není analyticky řešitelná, řadu řešení dostáváme přibližnými metodami a tedy s určitou omezenou přesností. Navíc v řadě případů tyto výpočty trvají velmi dlouho. Například propočítat řadu jevů, které probíhají v mikrosvětě strašně malý zlomek sekundy, i s omezenou přesností trvá strašně  dlouho. Řadu hodnot veličin nelze vyjádřit pomocí racionálního čísla a mohou obsahovat neomezený počet číslic.  V takovém „průběžně počítaném“ světě bychom museli narazit na nepřesnosti. Připomenul bych v této souvislosti rozdíl mezi náhodnými čísly získávanými pomocí nějakého náhodného fyzikálního procesu a pseudonáhodnými čísly počítanými pomocí nějakého matematického algoritmu. Vysvětlit, proč jsme zatím na žádné takové chyby nenarazili, by bylo velice obtížné. Lze namítnout, že může jít o dokonalý software běžící na dokonalém hardwaru. Ale to je daleko jednodušší předpokládat, že standardní model popisuje reálný svět, než že je popisem softwaru. V obou případech dostáváme stejné výsledky a je rozumné uplatnit princip Occamovy břitvy.

A teď se podívejme přímo na informační teorii Ivo Vašíčka. Velký problém je zjistit, co vlastně tento model představuje, kromě obecného, že jde o software bez hardwaru. V jeho článcích je totiž dost špatně definován. Jednou z možností je vyjít ze dvou citací z jeho článků:

„Ve skutečnosti je každá taková částice pouze jakýmsi souborem hodnot a rovnic, které vyjadřují vztahy s jinými rovnicemi a hodnotami jiných částic.“

„Celý vesmír je v podstatě jen obrovské množství rovnic, které se neustále přepočítávají.“

 Pokud vezmeme klasický význam pojmů hodnota a rovnice ve fyzice a matematice, dostáváme se do problémů. V případě hodnoty jde v daném případě o hodnotu fyzikálních veličin, které se skládají z velikosti, jednotky a případně směru, rovnice je doslova rovnost dvou matematických výrazů. I když tento pojem vezmeme mnohem obecněji, tak v každém případě se bude jednat o součást matematické abstrakce. Fyzika používá při svém popisu světa matematiku jako svůj jazyk. Nelze ovšem zaměnit označení daného předmětu za samotný předmět. Je to něco podobného, jako když začneme tvrdit, že slovo strom je tím samotným stromem.

Tomu, že I. Vašíček zaměňuje popis objektu a samotný objekt, by odpovídal i úryvek z jeho příspěvku v diskuzi za článkem:

„Když popisujete částici, vyjádříte to informacemi, nic jiného než informace nedokážete zjistit. Můžete si to zaznamenat, vytvořit soubor informací charakterizující danou částici. Když někde znovu zjistíte tytéž informace, usoudíte, že je to shodná částice (nebo částice shodného typu v jiné poloze a pod.). Objektivně vždy pracujete pouze z informacemi a to tak, že porovnáváte nově zjištěné se zaznamenanými etalony které nějak nazvete.“

Jak už jsem psal, je úkolem vědy získání popisu reality, tedy i částic a jejich vlastností. Nic jiného než informace opravdu zjistit nemůžeme. To ovšem neznamená, že částice neexistuje jako reálný objekt, a existuje pouze informace. Můj dojem je takový, že I. Vašíček prostě pojmy „rovnice“, „hodnoty“ a „informace“ označí jak fyzikální a matematický popis objektu tak i příslušné objekty samotné. Pro oprávněnost takového kroku ovšem nepředkládá žádné důvody a už vůbec ne důkazy. 

Ve svých příspěvcích tvrdil, že jeho názor na stavbu hmoty je obecně fyziky uznáván a uplatňován. On sám v diskuzi uvádí jména Neila Gershenfelda a jeho centrum, které prý takový model rozvíjí. Ovšem, pokud jsem zjistil, tak v tomto centru se zabývají možností přesunout ukládání a zpracování informace až na úroveň atomů a využít jejich kvantových vlastností. Tedy prací na možnosti vytvoření kvantových počítačů. Jde tak o využití částic pro ukládání informace a fyzikálních zákonitostí pro zpracování informace a ne o to, že by samotné částice byly informacemi tvořeny. Další zmínění fyzikové Seth Loyd a Stephen Wolfram se zabývají možností, zda je možné kompletní vesmír nasimulovat pomocí počítače a kolik informace by k tomu bylo potřeba uložit a zpracovat. Tedy zase klasický Matrix.  Diskuze jsou vedeny hlavně nad tím, jestli je veškeré chování reality možno vyjádřit pomocí algoritmů. Pochopitelně naráží i na problémy, které jsem už v případě světa jako softwaru běžícího na hardwaru popsal. 

Je vidět, že názor na stavbu hmoty zastávaný I. Vašíčkem je nejspíše ojedinělý. Také názory, že je svět čistě počítačovou simulací, jsou v současnosti spíše extrémní hříčkou, která nepřináší relevantní předpovědi, které by bylo možno otestovat.

Obr.č.1) Obvod urychlovače LHC je 27 km a obcházet ho pěšky by bylo dost zdlouhavé (snímek CERN).

Zatím je tedy ověřeným vrcholem popisu stavby hmoty zmíněný standardní model. Ovšem velmi brzy bychom mohli mít jasněji i pro obecnější teorie. S velkou pravděpodobností budeme totiž v příštím roce svědky dalšího posunutí našich znalostí o stavbě hmoty. Jak už jsem řekl, všechny naše představy lze ověřit jedině  pomocí experimentálních pozorování. Koncem tohoto roku se chystá spuštění nového největšího urychlovač částic a jader LHC (Large hadron collider), který se dokončuje v evropské laboratoři CERN u Ženevy. Ten umožní urychlit protony na téměř desetkrát větší energie, než je možné pomocí v současnosti největšího urychlovače. Tím umožní zkoumat ještě jemnější detaily struktury hmoty a zároveň umožní díky souvislosti mezi energií a hmotností produkovat těžší částice než urychlovače dosavadní. Dostane se tak do oblasti hmotností, které by měly mít částice, které předpovídají zmíněné teorie jednotně popisující silnou, elektromagnetickou a slabou interakci. Standardní model nám umožňuje budovat fungující zařízení, předpovídat chování našeho světa. Reálné jevy, které je možné ověřit nebo vyvrátit, předpovídají i sjednocovací teorie. Nic takového nám informační hypotéza Ivo Vašíčka neumožňuje.

Podrobnější popis toho, co by mohl v oblasti sjednocovacích teorií objevit urychlovač LHC hlavně vzhledem k popisu velmi ranných fází vývoje našeho vesmíru jsem nedávno napsal pro časopis Kozmos. Potom až vyjde, umístím ho i na svých internetových stránkách. Za  necelé dva roky, kdy by měly být známy první výsledky experimentů na urychlovači LHC, si můžeme zkontrolovat, co se opravdu podaří potvrdit.

Myslím, že je LHC nádherné zařízení, takže bych si na závěr dovolil představit několik snímků z archívu laboratoře CERN.

V Řeži 30. 1. 2007

 

 

Obr.č.2) Magnety urychlovače LHC jsou supravodivé a musí být drženy při teplotě tekutého helia (snímek CERN).

 

 

Obr.č.3) Opět tunel urychlovače LHC (snímek CERN).

 

 

Obr.č.4) Pokračující montáž zařízení urychlovače (snímek CERN).

 

 

Obr.č.5) Instalace systému elektrického napájení (snímek CERN).

 

 

Obr.č.6) Pro kontrolu stavu urychlovače LHC je potřeba mít nějaký rychlý (snímek CERN).

 

 

Obr.č.7) Největším experimentem na urychlovači LHC je  ATLAS (snímek CERN).

 

 

Obr.č.8) Experiment ALICE bude studovat ve srážkách těžkých jader velmi horkou a hustou hmotu (snímek CERN).

 

 

Zpet