Neraz sa pri nových objavoch dočítame, že fyzika sa otriasa v základoch. Pravda je však taká, že fyzika na svojich základoch stojí veľmi pevne a len tak ju niečo nerozhodí.
Keď niečo funguje priveľmi dlho a priveľmi dobre, prirodzene sa v tom začnú hľadať chyby. Možno aj preto fyzici volajú po revolúcii podobnej tej, ktorú priniesla kvantová mechanika a teória relativity pred sto rokmi, a veľa úsilia sa venuje hľadaniu tzv. novej fyziky. Jedným zo smerov v tomto úsilí je hľadanie zmien v hodnotách fyzikálnych konštánt.
Odolávanie s nedostatkami
Štandardný model (ŠM) časticovej fyziky je jedným zo základných kameňov, na ktorých súčasná (stará) fyzika stojí. Popisuje svet subatomárnych, t. j. elementárnych častíc a troch základných interakcií medzi nimi, okrem gravitácie. Je to nesmierne úspešný model, ktorý riadi takmer všetko od našej každodennej skúsenosti s okolitým svetom až po deje vo veľkých urýchľovačoch. ŠM odolal desaťročiam všemožných testov a predpovedal napríklad existenciu kvarkov t a c, gluónov a aj Higgsovho bozónu dlho pred tým, než boli experimentálne pozorované. Funguje tak dobre, až si vyslúžil prívlastok štandardný.
Vieme však, že tento model nie je úplný a je nevyhnutné ho rozšíriť. Najväčšou dierou v ňom je chýbajúca gravitácia, ale vieme aj o ďalších nedostatkoch – napríklad nepopisuje ani tmavú hmotu, tmavú energiu či hmotnosti neutrín. Aktuálne mnoho odborníkov vyvíja viacero rozšírení ŠM a konkurenčných modelov. Známe a populárne sú napríklad teória superstrún, supersymetria, kvintesencia atď. Každá z týchto nových teórií však so sebou prináša iné predpovede pre javy za hranicou ŠM, a preto dôsledné pozorovania a merania takýchto javov môžu v konečnom dôsledku udať smerovanie k tej správnej teórii všetkého.
Podobne veľké čísla
Jedným z takýchto fenoménov, ktorý si vyslúžil veľa pozornosti, sú zmeny v hodnotách fundamentálnych fyzikálnych konštánt. Fundamentálne konštanty sú také veličiny, ktoré nie je možné odvodiť zo žiadneho teoretického základu, je možné ich iba odmerať. Ich hodnoty sú nám dané. Z pohľadu ŠM ide o fixné číselné parametre, ktoré v tomto modeli vystupujú. Túto sadu tvorí 21 parametrov – fundamentálnych konštánt, ktoré zahŕňajú rýchlosť svetla, Planckovu konštantu, hmotnosti elementárnych častíc a parametre medzičasticových interakcií.
Sú však tieto konštanty skutočne konštantné? Podobnú otázku si kládol už Paul Dirac (1902 – 1984) v 30. rokoch 20. storočia. Všimol si totiž, že konštanty zložené do bezrozmerných veličín, neraz naberajú hodnoty podobne veľkých čísel. Napríklad pomer elektromagnetickej a gravitačnej sily medzi protónom a elektrónom v atóme vodíka má hodnotu asi 10³⁹. Zároveň vek vesmíru, teda 13,8 miliardy rokov, vyjadrený v atómových jednotkách pre čas, má takmer rovnakú hodnotu, teda 10³⁹. Paul Dirac to nepovažoval za náhodu a predpokladal, že gravitačná sila sa mení v čase a postupne slabne úmerne veku nášho vesmíru. Vysvetlil by tak, prečo je v súčasnosti v porovnaní s elektromagnetickou silou a oboma jadrovými silami taká slabá.
Filozofický rozmer
Z podobných úvah sa zrodila Diracova hypotéza veľkých čísel. Podľa Diraca obrovské bezrozmerné konštanty sú neprirodzené a nesmú vystupovať v základných fyzikálnych zákonoch. Predpokladal, že takéto veľké čísla spolu nutne súvisia a sú navzájom previazané zatiaľ neodhalenými zákonmi. To, že v prírodných zákonoch majú vystupovať len čísla rádovo blízke jednotke, je však skôr estetická požiadavka ako rigorózny vedecký prístup. Myšlienka však uzrela svetlo sveta a položila základ neskoršiemu štúdiu zmien hodnôt fyzikálnych konštánt v čase a v priestore, ktorému sa venujeme v súčasnosti.
Téma má aj filozofický rozmer. Fundamentálne konštanty sú až podozrivo precízne naladené práve tak, že sú vytvorené ideálne podmienky na vznik hviezdnych systémov a života. Keby mali iné hodnoty, vesmír by bol temný a mŕtvy. Napríklad by stačilo, keby sa sila elektromagnetickej interakcie (α) alebo silnej jadrovej interakcie zmenila len o pár percent a vo hviezdach by dochádzalo k niekoľko 100- až 1 000-násobne nižšej produkcii uhlíka a kyslíka a život, ako ho poznáme v súčasnosti, by tak pravdepodobne nikdy nevznikol.
Antropický princíp
Ako je teda možné, že sme tu a môžeme si klásť aj takéto otázky? Jedno z možných fyzikálnych vysvetlení práve ponúkajú aj premenlivé konštanty. Ak sa konštanty menia v čase a v priestore, život skrátka vznikol vtedy a tam, kde to bolo možné. Toto zdôvodnenie nazývame (slabý) antropický princíp.
Tak ako Dirac, aj my v súčasnosti skúmame iba bezrozmerné fyzikálne konštanty. Veličiny, ktorým prislúchajú jednotky, sú závislé od sústavy jednotiek, ktorú používame. Napríklad v sústave SI jednotiek je rýchlosť svetla definovaná fixne a viaceré ďalšie veličiny sa odvíjajú od nej. Preto nemá zmysel v takýchto jednotkách hľadať zmeny v rýchlosti svetla. Štúdiom bezrozmerných veličín vieme však tento problém jednoducho obísť. Najčastejšie sa hľadajú zmeny v sile elektromagnetickej interakcie, α = 1/137, a v pomere hmotností protónu a elektrónu, μ =1 836, ktorý súvisí so silou silnej jadrovej interakcie.
RNDr. Lukáš Félix Pašteka, PhD.
Katedra fyzikálnej a teoretickej chémie
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave
