Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


Tajemství, které lidstvo stále řeší. Lze hmotu dělit donekonečna?

aktualizováno 
Snad každý už provedl tuto úvahu: vezmete kámen a rozbijete ho na dva kusy. Každý kus pak ještě na dva menší, ty pak ještě na menší... Je možné takto pokračovat donekonečna, nebo existuje kousek, který už rozbít nejde? V CERNu toto tajemství zkoumají každý den.

Pohled do nitra jednoho z detektorů na „nejvýkonnějším mikroskopu světa“, urychlovači LHC | foto: CERN/CMS

Současné fyzice se zdá, že hmota je složena z několika nedělitelných částic. To je sice už hodně stará hypotéza, ale v současnosti je možná o něco lépe podložená než v minulosti. Navíc se seznam těchto “nedělitelných” částic dost změnil (a stále se mění).

Už starověký filozof Démokritos zavedl pro nejmenší dále nedělitelnou částici pojem “atomos”. Atomos znamená jednoduše nedělitelný. Jeho pojetí atomu by z dnešního hlediska odpovídalo nejspíše molekule. Pojem “atomos” použili lidé v 19. století k označení základních stavebních prvků molekul – atomů. To ovšem bylo dost předčasné, neboť se záhy ukázalo, že atom je dělitelný až hrůza. A to i přes to, že je zatraceně malý – rozměr typického atomu je 10-10 m = 0,000 000 000 1 m, neboli desetimiliontina milimetru. To se asi už nedá rozbít kladivem, že?

Když hodíte malý míček na medicinbal

Pojďme si ukázat, jak atom zkoumat, a po něm dokonce i jeho komponenty. Na začátku 20. století provedl slavný novozélandský fyzik Ernest Rutherford pokus, ve kterém ozařoval tenoučkou zlatou fólii radioaktivním zářením α (což jsou jádra prvku hélium). Myslel si, že všechny částice α projdou fólií, aniž změní směr letu. Ale ouha – některé z nich po srážce s fólií udělaly dokonce čelem vzad! Rutherford z toho okamžitě usoudil, že atomy zlata musí obsahovat velmi malé a velmi těžké jádro, od kterého se α-částice odráží. Je to vlastně stejné, jako kdybyste házeli tenisákem na medicinbal – tenisák se vám krásně odrazí, zatímco medicinbal se stěží pohne.

Pokud byste naopak tenisákem házeli na pingpongový míček, tak si tenisák stěží všimne, že mu něco přišlo do cesty, a bude pokračovat ve svém směru. Stejně tak atom zlata tedy musí obsahovat něco, co je mnohem těžší než α-částice. Že toto něco musí být zároveň hodně malé, usoudil Rutherford z toho, že α-částic, které udělaly čelem vzad, bylo hodně málo.

Jádro zlata je skutečně zatraceně malé: zhruba 10-14 m, tedy desettisíckrát menší než typické atomy. (Jádro vodíku – proton – je ještě desetkrát menší, tedy 10-15 m). Experimenty podobné tomu Rutherfordovu se neustále provádějí dodnes. Jejich hlavní myšlenkou je toto: pokud chceme zkoumat něco hodně malého, musíme na to poslat něco hodně rychlého (přesněji řečeno něco s vysokou energií).

Protony s energií letícího komára

Kvantová teorie nás totiž učí, že každá částice může posloužit k mikroskopování; čím větší má energii, tím lepší má prostorovou rozlišovací schopnost. Tento “jednoduchý” princip byl použit mj. v šedesátých letech v experimentu, který prokázal existenci kvarků – částic, ze kterých se skládají proton a neutron. Energie použitých projektilů byly ale desettisíckrát větší, než jaké měl k dispozici Rutherford.

O autorovi

Vojtěch Pleskot je zaměstnancem Johannes Gutenberg-Universitaet Mainz a pracuje na experimentu Atlas v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN.

Je také jedním ze spoluzakladatelů a aktivních členů projektu Science To Go! Projekt sdružuje mladé vědce a vědkyně a jeho posláním je zpřístupnit nejnovější úspěchy přírodních věd široké veřejnosti. Je známý zejména sériemi popularizačních minipřednášek, se kterými vystupuje po celé republice.

Experimentem Rutherfordova typu je také urychlovač LHC ve švýcarské laboratoři CERN. Jedná se o nejlepší mikroskop, jaký byl kdy sestrojen, neboť je schopný zkoumat objekty o rozměrech 10-19 m – tedy ještě desettisíckrát menší než proton! Tohoto fantastického prostorového rozlišení dosahuje díky obří energii, na níž urychluje částice, které používá jako projektily. Těmito částicemi jsou protony a každý z nich má energii letícího komára – objektu, který je víc než bilionkrát větší než proton.

Jedním z nejdůležitějších úkolů LHC je zjistit, jestli částice, které v současné době považujeme za bodové (tj. dále nedělitelné), nemají náhodou nějaký rozměr (neboli jestli se neskládají z částic ještě menších). Z dnešního pohledu jsou bodovými částicemi elektron, kvarky, foton, neutrina a ještě několik dalších. Patří mezi ně i nedávno objevený Higgsův boson.

Doposud nic nenasvědčuje tomu, že by nějaká z nich bodová nebyla. Neměli bychom však předbíhat, vždyť LHC má před sebou ještě dobrých patnáct let provozu. Kdyby se až do konce jeho běhu nepodařilo objevit strukturu žádné z nich, museli bychom konstatovat, že jsou s jistotou menší než 10-19 m. V takovém případě bychom si museli počkat na nějaký výkonnější urychlovač a celý výzkum opakovat. Prokázal by strukturu nějaké dnes bodové částice? Nevíme...

Může se nejmenší a tedy nedělitelná částice rozpadnout?

Jistě jste už slyšeli, že Higgsův boson se rozpadá okamžitě po svém vzniku. A podobně i další částice, které dnes považujeme za nedělitelné (bodové). To ovšem vůbec není v rozporu s jejich nedělitelností.

Příroda totiž připouští, aby se částice měnily jedna v druhou (přesněji v druhé), pokud se přitom dodrží jistá pravidla. Například celková energie částice před rozpadem musí být stejná jako energie částic, na které se rozpadla. Součet elektrických nábojů produktů rozpadu musí být roven elektrickému náboji rozpadající se částice. A podobných pravidel je ještě víc.

Rozpad částice je přitom potřeba chápat jako její přeměnu. Jak se však dá zjistit, jestli se částice pouze rozpadla (přeměnila), nebo jestli nějakým způsobem obsahuje to, co z jejího místa letí?

Úplně jednoduché to není, ale dá se to. Vezměme si jako příklad mion, což je částice hodně podobná elektronu, jen je o hodně těžší. Mion se normálně rozpadá (přeměňuje) na elektron a dvě neutrina. Kdyby však experimenty na LHC zaregistrovaly částici podobnou mionu, která se rozpadá na obyčejný mion a foton, pak by to bylo něco hodně nového. Taková částice by s největší pravděpodobností byla excitovaným stavem mionu. A excitovat se může jedině složená částice. Excitace totiž není nic jiného, než že se od sebe vzdálí elektricky nabité složky na vzdálenost, která je větší než jejich obvyklá. Existence excitovaného mionu by tedy znamenala, že mion má nějaké složky, neboli že není nedělitelný.

Text vznikl za pomoci projektu Science To Go!, který chce zpřístupňovat nejnovější vědecké objevy veřejnosti.

Autor:


Nejčtenější

Vdechl život zapomenuté technologii, na jeho hodiny je pořadník

Moderní digitrony jsou nádherným designovým prvkem.

Historická technologie ve zcela moderním precizním provedení. Digitronové hodiny „Nixie Clock“ Dalibora Farného slaví...

Obludná Škoda RSO z Mladé Boleslavi se nepovedla, navrhl ji Porsche

Vojenský tahač Škoda RSO (Radschlepper Ost) vyráběný v letech 1942 až 1944

Ne vše, na co sáhl génius Ferdinand Porsche, se povedlo. Ukázkovým příkladem je těžký kolový dělostřelecký tahač, který...



Prehistorický Google Earth. Zjistěte, kde byste byli před miliony let

Ancient Earth

3D mapa naší planety inspirovaná glóbem Google Earth vás zavede do minulosti. Projděte si jednotlivá historická období...

Eurotank bude německo-francouzský hybrid. Demonstrátor už jezdí a střílí

EMBT je hybrid mezi tanky Leopard 2 a Leclerc

Až 5000 tanků v hodnotě 75 miliard eur by měly dle německých prognóz nakoupit v příštích 20 až 30 letech evropské...

Umělá inteligence odhadne, kdy zemřete. Lékaři ji začínají používat

Ilustrační fotografie

Chytré algoritmy se zavádějí i do medicíny. Specializovaná umělá inteligence rychle zanalyzuje anamnézu pacienta a...

Další z rubriky

Stěna ohně a kyselý déšť. Výbuch islandské sopky Laki změnil klima na Zemi

Pohled do středu jednoho ze sopečných kuželů vzniklých na přibližně 27...

Výbuch islandské sopky Laki před 235 lety byl tak silný, že na mnoho let změnil klima na celé Zemi. Nad Evropu poslal...

Zrušte placení za vědecké články, vyzvali výzkumníci umělé inteligence

Výzkumníci nechtějí další „closed access“ časopis

Vydavatel jednoho z nejprestižnějších vědeckých časopisů přišel s novým titulem. Vědci z oboru strojového učení ovšem...

Vyvolali mexičtí fanoušci po gólu zemětřesení? Jak je to ve skutečnosti

Vyvolali mexičtí fanoušci zemětřesení?

Na fotbalovém mistrovství světa právě mexický tým slaví branku proti Německu a na opačné straně světa jásají v mexické...

Najdete na iDNES.cz