27. Cesta do nitra hmoty
O tom, že látka všude kolem nás je složená z atomů, dnes už asi nikdo nepochybuje. Konec konců umíme v současnosti zobrazit jednotlivé atomy a máme i technické prostředky, jak s nimi manipulovat a přestěhovat jeden konkrétní atom na místo, ve kterém ho potřebujeme. Někdejší Feynmanova předpověď o existenci doby, kdy se naučíme atomovému inženýrství, se vyplnila do puntíku.
Jak ale vypadá atom, z čeho je složený a kam až může pokračovat jeho vnitřní struktura? To jsou otázky, na které lidstvo postupně hledá odpovědi. Výzkum podstaty hmoty vlastně započal už v roce 1896, kdy francouzský fyzik Henri Becquerel objevil radioaktivitu solí uranu a postupně se ukázalo, že z některých radioaktivních látek vylétají elektrony, které musí být součástí atomů. Prvním modelem atomu se stal tzv. pudingový model, ve kterém si jeho autor, sir Joseph Thomson, mj. objevitel elektronu, představoval atom jako kladně nabitou látku, ve které plavou záporně nabité elektrony jako rozinky v pudingu. Tento první model atomu neměl ale dlouhého trvání. Už v roce 1911 objevil Ernest Rutherford atomové jádro při ostřelování tenké zlaté fólie alfa částicemi. Některé z nich se totiž od fólie odrazily do protisměru. To by nebylo možné, kdyby byl atom vyplněn spojitě rozloženou kladnou hmotou. Začalo být jasné, že atom má malé kladné jádro a kolem obal, ve kterém jsou elektrony. Velmi lákavá byla představa, že elektrony obíhají kolem jádra složeného z kladných protonů podobně jako planety kolem Slunce. Jenže kvantové zákony světa malých rozměrů jsou neúprosné a dovolují nám předpovědět jen pravděpodobnost výskytu elektronu v atomárním obalu. V některých místech je tato pravděpodobnost vyšší a v jiných nižší. Představa elektronu jako obíhající kuličky je zcela nesprávná. První etapa poznávání atomu se uzavřela v roce 1932, kdy anglický fyzik James Chadwick objevil neutron, poslední stavební kámen atomů. V atomovém jádře jsou kladně nabité protony, neutrální neutrony a v atomárním obalu záporné elektrony.
Kdybychom atom zvětšili tak, že jeho jádro bude veliké jako pomeranč, nacházel by se nejbližší elektron asi deset kilometrů daleko od jádra. Mezi jádrem a elektronem by bylo pusto a prázdno. Většina atomu zeje tedy prázdnotou. Proč se proto nepropadneme podlahou do hlubin Země? Důvod je jednoduchý. Elektrony atomárního obalu interagují s elektrony našeho těla a brání nám prázdnotou láky projít. To umí jen duchové v pohádkách nebo částice, které nejsou nabité. Takové neutrino proletí celou Zemí, aniž by s jejími atomy vůbec interagovalo. A pro částice temné hmoty, o jejichž existenci víme jen z jejich gravitačního působení, je procházení skrze atomy látky stejně snadné.
K dalšímu zvratu v poznání struktury látky došlo kolem roku 1965. Počet známých elementárních částic dramaticky narůstal a při pokusech o jejich třídění se zdálo, že aby jakákoli klasifikace byla úspěšná, měly by být částice atomového jádra složené z ještě menších částic, které dnes nazýváme kvarky. K tomuto názoru nezávisle na sobě přišli američtí fyzikové George Zweig a Murray Gell-Mann. Název kvark zvolil Gell-Mann podle románu Jamese Joyce „Smuteční hostina na počest Finnegana“. Hrdina románu vidí ve snu racky, kteří při letu za lodí křičí: „Tři kvarky pro pana Marka“. Toto podivné slovo se v románu již nikde jinde nevyskytuje… Kvarky byly objeveny na Stanfordském lineárním urychlovači v roce 1969. Proton a neutron jsou opravdu částice složené ze tří kvarků. Gell-Mann dostal za svou předpověď Nobelovu cenu za fyziku hned v roce 1969. Na Zweiga se tehdy jaksi pozapomnělo. Není divu, že na fyziku zanevřel a v dalších letech se věnoval neurochirurgii a poté fungoval jako finanční poradce.
Kvarky drží pohromadě uvnitř protonu a neutronu díky silné interakci. Všude kolem nich se vyskytuje gluonové pole, ne nepodobné jakémusi lepidlu, které kvarky uvězní uvnitř neutronu nebo protonu. Byla nalezena i celá řada dalších částic složených z kvarků.
Samozřejmě nás napadne otázka: Nemůže být elektron nebo kvark složený z dalších, ještě elementárnějších částic? A ty z dalších a dalších? Máme dobré důvody předpokládat, že hierarchie struktury látky musí někde končit. Kdyby tomu tak nebylo, musel by konečný objem částice obsahovat nekonečnou informaci o donekonečna vnořených strukturách, což odporuje našim současným názorům. Z experimentů víme, že jak elektron, tak kvarky jsou bodové až do rozměrů 10−18 metru, to je miliardtina miliardtiny metru. Pokud by tedy měly nějakou strukturu, tak menší, než je tato hranice. Možná jsou všechny opravdu elementární částice ve skutečnosti malá, dále nedělitelná vibrující vlákénka, jak si to představuje dnes velmi populární teorie strun. A možná jsou kvarky a elektrony, ať už si je představujeme jako vibrující struny nebo nějak jinak, skutečně elementárními částicemi a v poznání hmoty jsme dospěli na finální úroveň. Alespoň v tuto chvíli nic nenasvědčuje tomu, že by struktura látky měla mít nějaké pokračování. Přesto buďme opatrní. Historie fyziky nás mnohdy poučila, že téměř nic není v přírodě nemožné.