26. Čtyři interakce
Slovo síla používáme v mnoha významech. Síly mohou být politické, sílu nepochybně použijí účastnící hospodské rvačky a jiní se pro změnu spolehnou na sílu svých myšlenek. Výrobci nekvalitních výrobků se neobejdou bez síly reklamy a existují internetové stránky, které posoudí sílu webovské prezentace vaší společnosti. Zkrátka síla se zabydlela všude kolem nás.
Ve fyzice se ale pojem síly začal používat nejprve při popisu mechanických dějů. Ten dovedl k dokonalosti Isaac Newton v 17. století, kdy bylo možné za pomoci silového předpisu předpovědět budoucí pohyb těles. Na základě Newtonových pohybových zákonů předpověděl Edmond Halley budoucí návrat komety, která dnes nese jeho jméno. Bohužel se on sám návratu této komety už nedožil. Postupné poznávání zákonitostí elektrických a magnetických sil vyústilo v Maxwellovu teorii elektromagnetického pole, která byla publikována v roce 1873. Přes nesporné úspěchy při používání sil ve fyzice nebylo ale příliš jasné, co to síla ve skutečnosti je. V průběhu několika století se nikomu nepodařilo pojem síly korektně definovat a dnes si myslíme, že to snad ani možné není.
Dvacáté století přineslo dramatickou změnu. Objevily se dvě teorie popisující vzájemné působení těles v přírodě a ani jedna z nich pojem síly nepoužila. První teorií je Einsteinova obecná relativita z roku 1916, která se stala novou teorií gravitace. Gravitační působení chápe za pomoci zakřivení času a prostoru. Tělesa pokřivují svět kolem sebe a v tomto pokřiveném světě se pohybují po nejrovnějších možných drahách. Země letí kolem Slunce po elipse proto, že jde o nejrovnější možnou dráhu v časoprostoru pokřiveném přítomností Slunce. Einsteinova teorie žádnou sílu nepotřebuje a nejenom, že správně popisuje už dříve známé pohyby těles, ale navíc s sebou přinesla černé díry, ohyb světla, gravitační čočky, gravitační vlny, změnu chodu hodin v blízkosti hmotných objektů a celou řadu dalších, dnes měřitelných jevů.
Ve dvacátém století zasáhla do fyziky také kvantová mechanika. Z nesmělých počátků přerostla v kvantovou teorii pole a postupně popsala ostatní tři interakce v přírodě. A opět nepoužívá k popisu vzájemného působení těles sílu. Namísto ní se opírá o výměnné částice. Je to, jako by si dva trpaslíčci za pomoci pingpongových pálek mezi sebou pinkali míček, a tím na sebe působili. Jen tomu míčku neříkáme míček, ale polní nebo výměnná částice. U elektromagnetické interakce jde o foton. Umožňuje vzájemné působení všech nabitých částic a je zodpovědný za elektrické i magnetické děje v přírodě. Další interakcí je slabá interakce. Ta způsobuje například radioaktivní beta rozpad některých látek nebo je zodpovědná za sloučení dvou protonů při termojaderné syntéze v nitru Slunce. U slabé interakce jsou polní částice tři, nazývají se W+, W− a Z0. Na přelomu let 1983 a 1984 je v evropském středisku jaderného výzkumu CERN objevili Carlo Rubbia a Simon van der Meer. Za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku ještě téhož roku.
Poslední známou interakcí je silná interakce, ta je zodpovědná za to, že drží pohromadě atomové jádro. Polními částicemi je zde 8 gluonů. Jejich název je odvozený z anglického slova glue, které česky znamená lepidlo nebo pojivo. Gluony pojí dohromady neutrony a protony v atomovém jádře a jsou zodpovědné i za vnitřní stavbu těchto částic.
Dvacáté století nás tak na jedné straně zbavilo problematického pojmu síly, na straně druhé vedlo k jakési schizofrenii současné fyziky. Jedna z interakcí, gravitační, je popsána za pomoci pokřiveného světa Alberta Einsteina a tří zbývající – elektromagnetická, slabá a silná, jsou popsány za pomoci polních částic. Takový stav je samozřejmě neudržitelný, a tak je největší výzvou současné fyziky nalezení jednotného pohledu na všechny čtyři přírodní interakce. Bylo by krásné, kdyby si naši kvantoví trpaslíčci hráli vesmírný ping-pong s výměnnými částicemi v pokřiveném světě obecné relativity. Spojení obou pohledů není ale vůbec jednoduché. Současné pokusy k tomu používají velký počet dimenzí, ty nejúspornější teorie 10, ale nejsou výjimkou ani teorie pracující s 27 dimenzemi. Představte si chomáč vaty, na který se díváte z dálky. Připadá vám jako třírozměrné těleso. Při pohledu zblízka ale objevíte jednotlivá vlákénka složité struktury tohoto chomáče. Možná je náš svět také takový. Pro naše smysly a přístroje se jeví jako čtyřrozměrný, tedy má jeden časový rozměr a tři prostorové. Ve velmi malých měřítcích bychom ale objevili další, tzv. svinuté dimenze. Elementární částice v takovém světě nejsou bodové, ale lineární útvary, kterým říkáme struny. Různé způsoby vibrací těchto strun odpovídají různým druhům elementárních částic. Zda jde o cestu správným směrem k finální teorii všech čtyř interakcí, nevíme. Newton fyziku v 17. století vybavil pojmem síly. Dvacáté století sílu naopak z fyziky vyhnalo pryč, ale přineslo nám hned dva pohledy na podstatu vzájemného působení těles. Můžeme jen doufat, že 21. století přinese definitivní a jednotnou představu o působení sil v přírodě.