Ukázka knihy z internetového knihkupectví www.kosmas.cz

edice aliter

edice aliter ― svazek 69

Anthony

Zee

O gravitaci

Krátké seznámení
se závažným oborem

Argo

Anthony Zee

O GRAVITACI

Z anglického originálu On Gravity,

vydaného nakladatelstvím

Princeton University Press v Princetonu, NJ,

přeložil Jan Klíma

Odpovědný redaktor Vít Penkala

Obálka a sazba Martin Radimecký

Ilustrace na obálce LIGO/T. Pyle

Příprava elektronických formátů Kosmas

E-knihu v roce 2020 vydalo nakladatelství Argo,

Milíčova 13, 130 00 Praha 3,

www.argo.cz, argo@argo.cz,

jako svou 4270. publikaci

Elektronické vydání první

ISBN 978-80-257-2862-8 (váz)

ISBN 978-80-257-3167-3 (e-kniha)

On Gravity

Copyright © 2018 by Princeton University Press

Illustration copyright © 2019 LIGO/T. Pyle

Translation © Jan Klíma, 2019

Naše knihy distribuuje knižní velkoobchod KOSMAS, lze je pohodlně zakoupit v internetovém knihkupectví www.kosmas.cz

Všem, kdo mě učili gravitaci

Předmluva

Když jsem napsal rozsáhlou učebnici o Einsteinově gravitaci nazvanou příhodně Einstein Gravity in a Nutshell (Einsteinova gravitace v kostce, v dalším textu označovaná zkráceně GNut), trochu se mě dotklo, když si někdo na Amazonu žertem stěžoval, že se mu sice knížka líbila, ale musel požádat kamaráda, aby mu ji nosil. (Padavka! Cožpak už studenti fyziky nechodí cvičit? Měla by se zavést povinná tělesná výchova jako za mých bakalářských let!) Na druhé straně váha knihyx1 samozřejmě odráží vnitřní krásu a důležitost fyzikálního oboru, který popisuje.

Každopádně když si moje nářky poslechla redaktorka nakladatelství Princeton University Press Ingrid Gnerlichová, s níž už řadu let spolupracuji, dostali jsme nápad, že bych pro změnu napsal něco kratšího. Měl jsem pocit, že když jsem napsal o Einsteinově gravitaci tlustý spis, mám nárok na to, abych o ní napsal i stručnou knihu.

O Einsteinově gravitaci jsem v roce 1989 napsal i populární knihu s názvem An Old Man’s Toy: Gravity at Work and Play in Einstein’s Universe (Hračka starého pána: Gravitace při práci a hře v Einsteinově vesmíru), která později vyšla s pozměněným názvem Einsteinův vesmír: gravitace při práci a hře. Dále se na ni budu odkazovat jako na Toy. Tato nejnovější kniha leží svou náročností někde mezi kostkou a hračkou.

Jednou z motivací napsat tuto knihu byla snaha pomoci lidem překlenout propast mezi populárními knihami a učebnicemi Einsteinovy gravitace. Mohli byste přečíst tolik populárních knih, až by vás z toho rozbolela hlava, ale když chcete Einsteinově gravitaci opravdu porozumět, neobejdete se bez skutečné učebnice. Z e-mailů, které dostávám, vím, že je mnoho lidí, kteří by tuto propast rádi překonali. Ti mohou tuto knihu považovat za první krok ke studiu Gravitace v kostce.

Einsteinova teorie gravitace je popravdě řečeno matematicky mnohem jednodušší než kvantová mechanika. Trochu matematiky, zvláště tu nutnou k popisu zakřiveného prostoru, lze nalézt v dodatku. Tento dodatek je i dobrým testem: pokud ho budete moct bez problémů prostudovat, jste připraveni číst GNut.

Na druhé straně pokud se s dodatkem nechcete trápit, můžete tuto knihu číst prostě jako populární knížku o Einsteinově teorii gravitace napsanou na o něco vyšší úrovni, než je obvyklé.

Vzhledem k této poloze mezi kostkou a hračkou mám za to, že si mohu dovolit nejít při vysvětlování problémů tak do hloubky. V opačném případě bych musel použít víc matematiky – více slov by nepomohlo. Pokud by někdo měl zájem o hlubší výklad, najde podrobnosti v GNut.

Týden potom, co jsem podepsal smlouvu na tuto knihu, došlo k detekci gravitačních vln, což se přirozeně promítlo do textu knihy, která gravitačními vlnami začíná i končí. Nepouštím se ale do podrobného popisu detektoru a záznamů měření; ne že bych to nepovažoval za důležité, ale protože v tomto směru je nejlépe přečíst si to od lidí, kteří detektory navrhli, sestrojili a měření skutečně provedli.

Místo toho – jak se sluší a patří na profesora teoretické fyziky – se soustřeďuji na myšlenkový rámec Einsteinovy teorie – a na, bez přehánění, její krásu. Ač nerad, musel jsem vypustit některá témata. Kupříkladu se čtenář nedozví nic o třech klasických testech Einsteinovy gravitace nebo o Arthuru Eddingtonovix2, který pozorováním zakřivení světelných paprsků v gravitačním poli přispěl k tomu, že se nová teorie dostala do povědomí veřejnosti. Na druhé straně mluvím o Faradayovi, Maxwellovi a Hertzovi, protože chci zdůraznit, že v teoretické fyzice hrají fundamentální roli pojmy pole, vlny a akce. Po seznámení s elektromagnetickými vlnami můžeme pak přirozeně přejít ke gravitačním vlnám. V případě knihy malého rozsahu si prostě musím vybrat, co uvést, a co zamlčet.

x1. Ve skutečnosti ale GNut váží méně než klasické dílo Misnera, Thornea a Wheelera. Zatímco MTW váží 5,6 libry, GNut jen ubohé 4,6 libry.

x2. Leda jen letmo.

Poděkování

Opět jsem mimořádně vděčný Ingrid Gnerlichové, která byla u všech mých knížek vydaných nakladatelstvím Princeton University Press. Kromě všech dobrých rad svěřila rukopis do schopných rukou redaktorky Cyd Westmorelandové, s níž také dlouhodobě spolupracuji. Rovněž děkuji Karen Carterové, Chrisu Ferrantovi a Arthuru Werneckovi. Tak jako v případě mých ostatních knih byla neocenitelná trpělivá pomoc Craiga Kunimota, jenž mi pomáhal v boji s počítačem. Tuto knihu jsem dopsal v Paříži a jsem neobyčejně vděčný Henrimu Orlandovi, jenž se postaral, aby můj pobyt zde byl příjemný a plodný. Děkuji výzkumnému ústavu v Sacley a École Normale Supérieure za pohostinnost a Jean-Philippe Bouchaudové za financování mého pobytu z prostředků Foundation of the École Normale Supérieure. Ani snad nemusím říkat, že jako vždy děkuji za podporu i své manželce Janice.

Shodou okolností jsem krátce po odevzdání rukopisu odjel na přednáškové turné po Izraeli. Na Hebrew University v Jeruzalémě jsem měl možnost navštívit Einsteinův archiv. Vidět rukopis Einsteinovy práce o gravitacix3 je pro teoretického fyzika téměř náboženská zkušenost.

x3. Faksimile Einsteinova rukopisu lze vidět v knížce H. Gutfreunda a J. Renna: The Road to Relativity, Princeton University Press 2015.

Historie

Galileo Galilei

1564–1642

René Descartes

1596–1650

Pierre Fermat

1601 nebo 1607/08–1665

Robert Hooke

1635–1703

Isaac Newton

1642–1726/27

Edmond Halley

1656–1742

Leonhard Euler

1707–1783

John Michell

1724–1793

Joseph Louis de Lagrange

1736–1813

Pierre-Simon de Laplace

1749–1827

Thomas Young

1773–1829

Michael Faraday

1791–1867

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz

1821–1894

Bernhard Riemann

1826–1866

James Clerk Maxwell

1831–1879

Loránd Eötvös de Vásárosnamény

1848–1919

Hendrik Lorentz

1853–1928

Heinrich Rudolf Hertz

1857–1894

David Hilbert

1862–1943

Hermann Minkowski

1864–1909

Karl Schwarzschild

1873–1916

James Jeans

1877–1946

Albert Einstein

1879–1955

Fritz Zwicky

1898–1974

John Archibald Wheeler

1911–2008

Richard Feynman

1918–1988

Joseph Weber

1919–2000

Vera Rubinová

1928–2016

Prolog

Kosmická píseň

Pár slabých tónů

Konečně, konečně je to dlouhé čekání za námi: my, lidská rasa na planetě Zemi, jsme uslyšeli kosmickou píseň.[1] Ano, my, poněkud nesnášenlivý, ale docela chytrý druh, teď můžeme hrdě prohlásit, že jen pár miliard let po tom, co z prapůvodního bahna vznikl život, jsme zachytili vlnění prostoročasu.

Tím jsme vstoupili do klubu zasvěcených, jejichž civilizace dokážou naslouchat vesmírným písním. Je to o to úžasnější, že to je teprve pár set let, co jsme porozuměli gravitaci a fyzici hodili do smetí aristotelovský výklad, že „jablko padá, protože chce domů“.

Einstein opět triumfuje.

Dvě černé díry sestupovaly po spirále, aby se nakonec objaly.

V tichu hlubokého vesmíru, 1,3 miliardy světelných let daleko od nás, se začaly osudově přitahovat dvě černé díry. Přibližovaly se, otáčely kolem sebe, aby se nakonec objaly a splynuly v jedinou černou díru. Během toho všeho vyzařovaly ohromné množství energie v podobě gravitačních vln.

A tenhle konkrétní poryv gravitačních vln se šířil dál a dál vesmírem, jako když hodíte kámen na hladinu rybníka a vzniknou kruhové vlny šířící se ke břehu. To všechno se odehrálo před 1,3 miliardy let, dávno předtím, než se objevili dinosauřix1, v době, kdy lidé se objevovali leda ve snech trilobitů.

Jak plynuly miliony a miliony let, mrak gravitonůx2 pokračoval rychlostí světla v cestě nepředstavitelně rozsáhlými hlubinami vesmíru a dostával se blíž a blíž k planetě Zemi. Dorazil k ní 14. září 2015, kdy ho zachytily dva mohutné detektory dlouhé několik kilometrů a vybavené tou nejdokonalejší a nejcitlivější měřicí technikou, jakou lidstvo zná – jeden se nacházel v Livingstonu v Louisianě, druhý v Richlandu, ve státě Washington.x3 Jelikož jsou od sebe tato místa tak vzdálená, zachytila pulz s odstupem milisekundy. A tak jako dokážeme určit směr, odkud přichází zvuk, díky nepatrnému časovému rozdílu, s nímž ho zachytí naše dvě uši, dokázali fyzici zhruba určit směr k místu, v němž ke splynutí oněch dvou černých děr došlo.

Prostoročas ožívá

V roce 1915, zatímco naše gravitony letěly k Zemi – po 1,3 miliardách let jim už zbývalo k cíli jen pouhých sto let – jeden pozemšťan jménem Albert Einstein (1879–1955) konečně skončil práci na své teorii gravitace, která vešla ve známost jako teorie obecné relativity. Šokoval fyzikální komunitu tvrzením, že žádná gravitace vlastně neexistuje, jen zakřivený prostoročas.

Fyzici se dozvěděli šokující tajemství: co nazýváme gravitací, je vlastně prostoročas tančící s energií, jeden se kroutí chvíli tak a chvíli onak, druhý sem a tam. Pas de deux prostoročasu a energie: energie ve všech podobách, třeba jako vy a já.

Energie je hmota a hmota je energie, jak nás tentýž Einstein poučil už v roce 1905 v teorii speciální relativity: E = mc^2, což je nepochybně ten nejznámější fyzikální vzorec!x4

Takže už bylo dlouho známo, že prostoročas může být zakřivený. Z toho plyne, že se dokáže i vlnit, což neušlo Einsteinově pozornosti. Hned v následujícím roce[2] 1916 publikoval článekx5, v němž předpověděl existenci gravitačních vln.

Vlnění a tuhost

Vlnění je všude kolem nás. Poklepejte lžící na velký kus želé a uvidíte, jak se v něm vlna šíří. Vítr nad mořem nepřetržitě čeří vodní hladinu. Zpěvákovy hlasivky stlačují vzduch a z jeho hrdla se šíří zvukové vlny. Každé prostředí, jež lze stlačit, se může vlnit.

Představme si dlouhou kovovou tyč. Udeřme do jejího jednoho konce. Pravidelné uspořádání atomů na tomto konci se stlačí, i když jen nepatrně. Když se atomy vzápětí vracejí zpět do původní polohy, cestou stlačí své sousedy. Takže informace se šíří podél tyče jako tlaková vlna. „Pošlete to dál: někdo bouchnul do konce tyče.“

Rychlost, jakou se vlna šíří, je určena elasticitou prostředí, eventuálně její převrácenou hodnotou, tuhostí. Čím je tyč tužší, tím rychleji se vlna šíří. Můžeme si představit, že tuhost je měřítkem ochoty atomů vrátit se do původní polohy.

Teoretičtí fyzici rádi dovádějí věci do krajnosti – představí si například, že by tuhost tyče byla nekonečně velká. Pak z definice plyne, že když tyč uhodíte do jednoho konce, posune se jako celek a informace, že došlo k úderu na jednom konci, je na opačný konec přenesena okamžitě. Jenomže vzpomeňme si na Einsteinovu teorii speciální relativity: energie a informace se nemohou pohybovat rychleji než c, rychlost světla.[3] Z toho hned plyne, že nekonečně tuhé tyče nejsou ve fyzice přípustné.

Konec absolutně tuhého prostoročasu

Tento fakt nabude později zásadní důležitosti, protože Newtonův prostoročas je absolutně tuhý. Podle Newtona (trochu budu k tomuto géniovi nespravedlivý, jak se ukáže později) je šíření gravitace okamžité.

Jakmile Einstein prohlásil, že prostoročas je elastický a ne absolutně tuhý, stala se nevyhnutelnou existence gravitačních vln. Proto naprostá většina teoretických fyzikůx7 byla o existenci gravitačních vln přesvědčená už dávno.

Že vlnění a tuhost nejdou dohromady, lze ihned pochopit na příkladě z běžného života. Pro vlnění – představme si břišní tanečnice – jsou nepostradatelné ohebnost a pružnost, a kdo je strnulý a neohebný, se bude těžko vlnit.

Takže prostoročas byl posledním absolutně tuhým objektem klasické fyziky, který fyzici opustili.

Někdy předběhne teorie experiment, někdy experiment teorii

Po historickém oznámení, že prostoročas je natolik pružný, že se v něm mohou šířit vlny, se jeden novinář zeptal Einsteina, jak je možné, že je tak jasnozřivý, že tak daleko předběhl experimentátory. To byla dobrá otázka, ale měl se raději ptát, proč v tomto případě experimentátoři tak zaostali.[4] Ve fyzice někdy teorie předběhne experiment, někdy to je naopak. Pro fyziku je ideální, když kráčejí vpřed ruku v ruce.

Zřídkakdy ale předběhne teorie experiment o sto let!x8

Celé století spektakulárního technického pokroku bylo zapotřebí, aby mohly být gravitační vlny detekovány. Důvodem je, jak uvidíme později, že gravitační vlna extrémně zeslábne, než dorazí k Zemi. Navzdory naší každodenní zkušenosti je totiž gravitační síla mimořádně slabá. Vysvětlení naleznete v dalších dvou kapitolách.

Terminologický problém

Zatímco v češtině je přídavné jméno gravitační utvořené ke jménu gravitace jediné možné, v angličtině může být termín gravity jak podstatné jméno (gravitace), tak i přídavné jméno (gravitační). Existují tak dvě konkurenční možnosti: gravity wave (česky, řekněme, vlna gravitace) a gravitation wave (gravitační vlna); situace je o to komplikovanější, že termín gravity wave je už tak trochu obsazený – používá se pro vlny na vodě, protože jsou vyvolávány gravitačním působením. Ve svém článkux9 z roku 1918 použil Einstein termín „Gravitationswellen“.

Nejde-li o vlny na vodní hladině, je tudíž na vůli autora, k jaké možnosti se v angličtině uchýlí nebo zda používá oba termíny podle momentálního rozpoložení; každopádně fyzikální obsah je týž.

Titulní strana Einsteinova článku z r. 1918.

Převzato ze str. 12 publikace The Collected Papers of Albert Einstein, díl 7: The Berlin Years: Writings, 1918–1921, editoři: Michael Janssen, Robert Schulmann, Jozsef Illy, Christoph Lehner a Diana Kormos Buchwald. Copyright ©2002 The Hebrew University of Jerusalem. Převzato s laskavým svolením nakl. Princeton University Press.

1 Jak jsme se dozvěděli 11. února 2016.

2 O dva roky později, když bylo Einsteinovi devětatřicet, si postěžoval, jak neblahý efekt má rostoucí věk: „Myšlení je v troskách, jen nablýskané renomé se pořád ještě drží kolem té vápenaté skořápky.“

3 Písmeno c jsme už předtím použili, bez vysvětlení, co znamená. Mimochodem, c pochází z latinského celeritas.x6

4 K tomu se ještě vrátíme.

x1. Pro představu časového měřítka, dinosauři se tu proháněli asi před 0,24 miliardy let.

x2. Viz kapitolu 17.

x3. Okamžik detekce – první toho druhu na světě – je tudíž katalogizován jako GW150914.

x4. Tenhle vzorec se v původním Einsteinově článku o speciální teorii relativity neobjevil. Einstein k němu došel až o pár měsíců později a publikoval ho ve dvoustránkovém článku ve tvaru

.

Cože? Nepřipadá vám to jako E = mc^2? Einstein tím vzorcem tvrdí, že když objekt pohybující se rychlostí v vyzařuje, jeho kinetická energie K se mění (v moderní notaci) o veličinu . (V původním značení je L vyzářená energie a V je rychlost světla.) O pár odstavců později pokračuje: „Není vyloučeno, že bude možno ověřit tuto teorii pomocí těles, jejichž energie je značně proměnlivá (např. na solích radia).“ Jednomu příteli vzrušeně napsal: „Napadl mě ještě jeden důsledek článku o elektrodynamice… Je zábavný a lákavý; ale kdo ví, možná že bůh se tomu směje a dělá si ze mě dobrý den.“

Jak všichni víme, bůh si z Einsteina dobrý den nedělal.

O řadu let později, v roce 1946, zveřejnil Einstein neobyčejně elegantní odvození, které překvapivě v učebnicích nebývá uvedeno (mně se toto odvození líbí mnohem víc než to původní z roku 1905), takže existuje nebezpečí, že bude zapomenuto. Viz str. 232 v GNut. Totéž odvození lze nalézt na str. 125 Einsteinovy knihy: Out of My Later Years, Philosophical Library, 1956.

x5. Pozoruhodně moderní práce, jež odvozuje gravitační vlny jasnými logickými kroky, téměř přesně tak, jak by tuto problematiku vykládaly moderní učebnice.

x6. Toto označení zavedli Weber a Kohlrausch v roce 1856, dávno předtím, než se Albert narodil. Mimochodem, latinské celeritas nemá nic společného s celerem, které pochází z řeckého slova selinon. Mimochodem, Kohl je německy zelí.

x7. Když se začala kyberprostorem šířit zpráva, že objev gravitačních vln je na spadnutí, mailoval jsem svým známým, jestli znají nějakého teoretického fyzika, který na existenci gravitačních vln nevěří. Žádné jméno jsem se nedozvěděl. Nicméně pro fyziku je bezpodmínečně nutné, aby se opírala o pozorování.

x8. Extrémním případem je spekulace Demokrita (cca 460–370 př. n. l.) o atomech. Ověřit ji trvalo přes dva tisíce let. V naší době je těžko odhadnout, jak dlouho potrvá, než se podaří experimentálně ověřit teorii strun, pokud k tomu vůbec někdy dojde.

x9. V Einsteinově práci z roku 1916 je hrubá chyba, kvůli které anglický fyzik Arthur Eddington žertoval, že gravitační vlny se šíří rychlostí myšlenky. Naproti tomu Einsteinova práce z roku 1918 se obsahem více méně kryje s tím, jak problém prezentují moderní učebnice.

Část první

1

Přátelské soutěžení mezi čtyřmi interakcemi

Hmota a síly, které jí hýbou

Než začneme vyprávět příběh o gravitačních vlnách, podnikněme krátký výlet do vesmíru. Hmota se skládá z molekul a molekuly jsou útvary složené z atomů. Atom se skládá z elektronů, které víří kolem jádra; to je zase tvořeno protony a neutrony, jimž se říká nukleony. Nukleony jsou vystavěny z kvarků. To je všechno, co v tomto směru víme.[5]

Ve vesmíru se také nachází temná hmota a temná energie. (O těch více v kapitole 18.) Přesně vzato je celkové složení vesmíru následující: 27 % tvoří temná hmota, 68 % temná energie a pouze 5 % je obyčejná hmota. Zhruba lze říci, že ve vesmíru probíhá impozantní kosmický zápas mezi temnou hmotou a temnou energií.x1 Hmota, již známe a milujeme a z níž jsme sami stvořeni, hraje jen podřadnou roli. Bohužel, o temné straně vesmíru pořád ještě víme velice málo.

Rozeznáváme čtyři fundamentální síly působící mezi částicemi. Když jsou částice blízko u sebe, dochází k jejich interakci[6], jinými slovy, navzájem se ovlivňují. Tady máte šikovné shrnutí těchto čtyř sil, jimiž jsou: gravitace, elekromagnetismus, silná interakce a slabá interakce.

G: Gravitace brání tomu, abychom se vznesli vzhůru a praštili se hlavou o strop.[7]

E: Elektromagnetické působení brání tomu, abychom propadli podlahou k sousedům pod námi – pokud nebydlíme v přízemí.[8]

S1: Silná interakce má zásluhu o to, že nám Slunce zdarma dodává světlo a energii.

S2: Slabá interakce zabraňuje Slunci, aby nám vybuchlo nad hlavou.

Nepamatuju se na to, ale předpokládám, že když jsme pobývali v matčině lůnu, díky vztlaku[9] jsme si gravitaci neuvědomovali. Ale jakmile jsme byli venku, gravitaci jsme si uvědomili. Zvláště když nás porodník vzal za kotníky a držel nás hlavou dolů. Načež nás zlehka plácl na zadeček, takže jsme začali křičet, otevřeli oči a objevili elektromagnetismus.

Jenom čtyři síly!

Člověk má pocit, že svět je plný záhadných sil a interakcí. Že by byly jen čtyři?

Už jako batole jsme se při lezení kolikrát praštili do hlavy o nějaký tvrdý předmět. Jak to vysvětluje teorie? Po pravdě řečeno, teorie pevných látek je hodně složitá, což je pochopitelné, když existuje tolik různých pevných látek. Ale stačí nám udělat si jednoduchou představu: jádra atomů, z nichž se pevná látka skládá, leží v pevně daných uzlech pravidelné mřížky a elektrony se mezi nimi pohybují jako kvantový oblak. Je to kolektivní společnost, v níž je veškerá individualita ztracena. Atomy už neexistují jako jednotlivé entity. Takové uspořádání je energeticky velice výhodné – což je způsob, jak fyzici říkají, že potřebujete vynaložit hodně energie, abyste takové uspořádání narušili. Revoluce je nákladná. Chce to pořádné svaly, když chcete rozbít
kámen na dvě půlky.

Takže miliardy interakcí, s nimiž se v životě potkáváme, jako když se praštíme o něco pevného, mohou být všechny redukovány na elektromagnetickou interakci. To, s čím se setkáváme v běžném životě, je z velké části jen reziduální efekt elektromagnetické síly. Jelikož věci kolem nás jsou zpravidla elektricky neutrální (obsahují stejný počet elektronů jako protonů), všechny elektromagnetické interakce se vzájemně prakticky zcela vyruší. I síla ocelového břitu sbíječky bušící do skály je jenom pouhým odleskem skutečné velikosti elektromagnetické síly.

Vlastně existuje jen jedna situace, kdy se zachvějeme při pohledu na běsnící elektromagnetickou sílu – a sice když blesky a dunění hromu zaplňují nebe. My, moderní lidé, jsme si elektromagnetické síly zcela podrobili, ale naši prapředkové připisovali jejich občasné výbuchy hně-
vu bohů.x2

Když jsme začali brát rozum, připadalo nám, že ve světě existují tisíce, ne-li miliony různých sil. Je tedy úžasné, že jsme si dokázali uvědomit, že existují jen čtyři fundamentální síly, a došli jsme k tomu po staletích pečlivého zkoumání přírody. Kupříkladu objev, že za světlo vděčíme elektromagnetismu, byl obrovský krok vpřed.

Vesmír jako pečlivě secvičený tanec

Zatímco gravitačního a elektromagnetického působení si je každý člověk dobře vědom, s existencí silné a slabé interakce se nikdy přímo nesetkal. Ve skutečnosti je ale fyzikální vesmír dokonale sladěným tancem všech čtyř interakcí.

Vezměme si typickou hvězdu, která svou existenci začíná jako oblak protonů a elektronů. Gravitace postupně zformuje tuto mlhavou hmotu do sférického chuchvalce, v němž spolu začnou soupeřit silné a elektromagnetické síly.

Elektrická síla se snaží oddálit stejnojmenné náboje. Takže působením odpudivé elektromagnetické síly se protony drží daleko od sebe. Naproti tomu silná interakce přitahuje protony k sobě. V tomto souboji mají elektrické síly mírně navrch, což má dalekosáhlé důsledky. Kdyby přitažlivost mezi protony byla jen o málo silnější, dva protony by se k sobě dostaly tak blízko, že by došlo k uvolnění energie. Jinými slovy, došlo by velice rychle k jaderné reakci a jaderné palivo hvězd by rychle vyhořelo, takže by nemohlo dojít k pozvolnému vývoji hvězd, natož ke vzniku civilizace.

Ve skutečnosti je přitažlivá síla mezi nukleony sotva dost silná na to, aby mohla spojit dohromady proton a neutron, ale není schopna vázat dohromady dva protony. Zhruba řečeno, než může proton interagovat s jiným protonem, musí se nejdřív transformovat na neutron. Tato transformace je dílem slabé interakce a probíhá nesmírně pomalu, jak už název „slabá“ interakce naznačuje. Výsledkem je, že nukleony se v jádru hvězdy, jako je naše Slunce, spalují pomalu a rovnoměrně, takže se můžeme těšit z její ustálené teplé záře.

Boxer s krátkýma rukama, ale silnou ránou versus boxer s dlouhýma rukama, ale slabou ránou.

Převzato z A. Zee: Fearful Symmetry: The Search for Beauty in Modern Physics. Copyright © 1986 A. Zee, Princeton University Press.

Dosah síly versus její velikost

V běžném životě silnou a slabou interakci nevnímáme, protože mají extrémně malý dosah. Jakmile se od sebe protony jen trochu vzdálí, přitažlivá síla mezi nimi klesne náhle k nule. A slabá interakce působí na ještě menší vzdálenost. Z tohoto důvodu silná a slabá interakce nevedou ke vzniku vln. V této knize se těmito dvěma krátkodosahovými interakcemi příliš zabývat nebudeme.

Naproti tomu gravitační síla mezi dvěma hmotnými objekty a elektrická síla mezi dvěma náboji klesají se vzdáleností R mezi nimi jako 1/R^2 čili nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti. Více na toto téma v kapitole 2. Gravitace a elektromagnetická síla jsou dalekodosahové a díky tomu mohou vést ke vzniku vln.

Pro velká R tyto síly sice vymizí, ale dost pomalu na to, abychom cítili přitažlivost Slunce, i když je doslova astronomicky vzdálené. Ze stejného důvodu se naše galaxie Mléčná dráha přibližuje k sousední galaxii v Andromedě.

Takže v souboji mezi čtyřmi interakcemi není hrubá síla to jediné, na čem záleží: mnoho jevů závisí na vzájemném poměru mezi dosahem síly a její velikostí. Vidíme to například při srovnání jaderné fúze a štěpné reakce. Když se dostatečně přiblíží dvě malá jádra, každé složené z pár protonů a neutronů, silná interakce snadno přemůže elektrickou odpudivou sílu a dojde k jaderné fúzi. Naproti tomu v případě velkých jader (nejznámějším případem jsou jádra uranu), elektrická odpudivá síla přemůže silnou interakci. Každý proton vnímá přitažlivou sílu silné interakce protonů nebo neutronů jen v blízkém okolí, ale pociťuje elektrické odpuzování všech ostatních protonů v jádře. Jádro má tendenci se rozštěpit na dvě menší části a zároveň dochází k uvolnění energie.

5 Představa, že kvarky a elektrony jsou titěrné struny, je sice velmi zajímavá, ale v této chvíli to je jen pouhá spekulace.

6 „Interakce“ či „interagovat“ je odborný termín používaný fyziky podobně jako termíny „energie“, „hybnost“ nebo „hmotnost“.

7 Víte přece, že Země se rychle otáčí, aby urazila 24 000 mil za 24 hodin. Každý, kdo absolvoval pár kurzů fyziky, by dovedl vypočítat, jak velké je odstředivé zrychlení.

8 Elektromagnetická interakce koná spoustu dalšího dobra. Drží pohromadě atomy, řídí šíření světla a rádiových vln, způsobuje chemické reakce a v neposlední řadě nám brání, abychom mohli procházet zdí.

9 I vztlak je ve skutečnosti gravitační síla, protože kapalina kolem nás se snaží udělat si pohodlí tím, že se cpe pod nás.

x1. Viz GNut, kapitola VIII.2.

x2. V anglosaských zemích pořád ještě jeden den v týdnu věnujeme elektromagnetismu: název pro čtvrtek – Thursday – vznikl z Thor’s day, neboli den boha bouře Thora.

Líbila se Vám ukázka elektronické knihy?
Zakupte si celou e-knihu na Kosmas.cz