Hľadanie hmoty

Už takmer storočie žijeme v kvantovej ére: v čom táto nová koncepcia zmenila chápanie vecí, ktoré nás obklopujú v každodennom živote? Vezmime si náš kľúč: to, čo sme sa dozvedeli, nás núti prijať predpoklad, že ide o kľúč zložený z entít, pochádzajúcich z iného sveta – z nekonečne malého sveta atómu a elementárnych častíc. Ako však skĺbiť vývoj našich teoretických znalostí so skúsenosťou, ktorá pramení z každodennej reality?

Všetko čo som sa prostredníctvom kvantovej fyziky dozvedel o tomto kľúči, mi nijako nebráni vnímať ho ako materiálny „objekt“, ktorý mi leží v dlani a cítim jeho hmotnosť i konzistenciu. Je to však iba ilúzia v divadle reality. Čo je za jeho pevnou substanciou? Skôr ako nechám prehovoriť dnešnú vedu, chcem sa vrátiť k dvom veľkým mysliteľom, ktorí odpovedali na túto otázku každý svojím spôsobom. Prvý sa volal Bergson. Bergson mal čisto duchovný pohľad na hmotu. Vedú nás najnovšie vedecké poznatky o hmote k duchu? Začíname chápať, že dnes je možné nájsť odpovede na takéto otázky: a treba ich hľadať v samom srdci hmoty, v jej najhlbšom vnútri.

Odrazme sa od niečoho viditeľného: napríklad od kvapky vody. Skladá sa z molekúl (je ich v nej približne tisíc miliard miliárd, pričom každá meria 10^-9 metra. A teraz preniknime do molekúl; nájdeme tam oveľa menšie atómy s rozmermi 10^-10 metra. Pokračujeme v našej ceste. Každý atóm sa skladá z ešte menšieho jadra (10^-14 m) a z elektrónov obiehajúcich okolo neho.

Náš prieskum sa tu však nezastaví. Ďalší skok – a sme v strede jadra: tu nachádzame množstvo nových častíc (nukleónov, z ktorých najdôležitejšie sú protóny a neutróny), úžasne maličkých – sotva dosahujú veľkosť 10^-15 metra. Sme už na konci cesty? Je to posledná hranica, za ktorou už nič nie je? Kdeže! Pred tridsiatimi rokmi objavili ešte menšie častice, hadróny, zložené z nesmierne malých entít, dosahujúcich nepredstaviteľnú „veľkosť“ 10^-18 metra: sú to kvarky. O chvíľu uvidíme, prečo tieto častice predstavujú akýsi „dimenzionálny múr“: neexistuje fyzikálna veličina menšia ako 10^-18 metra.

Vráťme sa ku kľúču. Jedným sme si už teraz istí – že je urobený z prázdna. Na príklade lepšie pochopíme, že celý vesmír je v podstate zložený z prázdna. Predstavme si, že by náš kľúč narástol až do veľkosti Zeme. Na tomto stupni by atómy tohto obrovského kľúča boli veľké sotva ako čerešne.

A je tu čosi ešte prekvapujúcejšie. Predstavme si, že by sme vzali do ruky jeden z atómov veľkosti čerešne. Darmo by sme ho skúmali, dokonca aj pod mikroskopom , jadro by sme nemohli spozorovať, lebo je na tejto úrovni príliš malé. Treba zmeniť pomer, čerešňa predstavujúca atóm musí narásť do veľkosti obrovskej gule s priemerom dvesto metrov. Napriek takýmto impozantným rozmerom jadro nášho atómu nebude väčšie ako maličké zrnko prachu. To je teda prázdno atómu.

Zastavme sa pri tejto znepokojujúcej téme: paradox množstva prvkov, ktoré nakoniec vyúsťujú do neuchopiteľného prázdna. Pre názornosť predpokladajme, že by som chcel spočítať atómy jediného zrniečka soli. A predpokladajme aj to, že by som bol dosť rýchly, aby som ich za sekundu narátal miliardu. Napriek tomuto pozoruhodnému výkonu by som na kompletné sčítanie atómovej populácie obsiahnutej v miniatúrnom zrnku soli potreboval viac ako päťdesiat storočí. Iné prirovnanie: keby každý atóm nášho zrnka soli bol veľký ako špendlíková hlavička, všetky atómy z jediného zrnka soli by pokryli celú Európy súvislou vrstvou hrubou dvadsať centimetrov. Počet zložiek vo vnútri jedinej častice hmoty tak veľmi presahuje našu zvyčajnú predstavivosť, že v nás vyvoláva čosi podobné pocitu hrôzy …

Medzi elementárnymi časticami sa rozprestiera nesmierne prázdno. Ak si predstavím protón kyslíkového jadra ako špendlíkovú hlavičku na tomto stole, tak elektrón, ktorý obieha okolo, opisuje dráhu prechádzajúcu cez Holandsko, Nemecko a Španielsko (ak sa nachádzame v Paríži). Keby sa všetky atómy tvoriace moje telo mali priblížiť na dotyk, viac by ste ma nevideli. Nikto by ma viac nemohol pozorovať voľným okom: bol by som maličký ako prášok veľkosti sotva niekoľkých tisícin milimetra.

Počas tohto halucinačného ponoru do srdca hmoty fyzici zistili, že ich cesta sa nijako nezastavuje na hranici jadra, a vlastne vyúsťuje do nekonečného oceánu jadrových častíc, ktoré sme už spomenuli ako „hadróny“. Všetko sa odohráva tak, akoby sme opustili rieku, po ktorej sme zvyknutí plaviť sa, sčereným záhadnými vlnami, miznúcimi na tmavom vzdialenom obzore.

To by sa mohlo rovnako dobre aplikovať na nekonečne veľké. Na čo narazíme, ak obrátime oči k hviezdam? Aj tam je prázdno. Obrovské medzihviezdne prázdno, ďalej a ďalej, milióny či miliardy svetelných rokov, medzigalaktické prázdno: nepochopiteľná rozsiahlosť, kde nenájdete absolútne nič, možno s výnimkou nejakého zatúlaného atómu, navždy strateného v čiernom, tichom, ľadovom nekonečne. Medzi nekonečne veľkým a nekonečne malým existuje čosi ako podobnosť.

S upresnením, že ak hviezdy sú materiálne objekty, subatomické častice nie sú maličké zrnká prachu. Sú to skôr, ako sme videli, tendencie k existencii, alebo ešte korelácie medzi tým, čo je makroskopicky pozorovateľné. Napríklad ak jednoduchý elektrón prechádza cez fotografickú platňu, zanecháva stopu, podobajúcu sa sledu maličkých bodov vytvárajúcich čiaru. Normálne máme sklon nazdávať sa, že táto „dráha“ je výsledkom prechodu jediného a toho istého elektrónu po fotografickej platni – čosi podobné, ako keď tenisová lopta poskakuje po tvrdej zemi. Vôbec to tak nie je. Kvantová mechanika tvrdá, že vzťah medzi bodmi, ktoré predstavujú „objekt“ v pohybe, je čistým produktom nášho vedomia: V skutočnosti predpokladaný elektrón, zanechávajúci bodkovanú stopu, neexistuje. Ak by sme sa mali presne držať kvantovej teórie, predstava častice obdarenej nezávislou existenciou je určite pohodlná, ale nepodložená konvencia.

Čo teda zanecháva stopu na fotografickej platni? Ak chceme odpovedať, musíme si zájsť do novej oblasti fyziky. Odteraz sa fyzici nazdávajú, že elementárne častice zďaleka nie sú objekty, ale je to vlastne stále provizórny výsledok nepretržitých interakcií medzi nehmotnými „poľami“.

Táto nová teória vyúsťuje do skutočného priblíženia sa reálnemu: materiál, posledný substrát vecí nie je hmotný, ale abstraktný – čistá myšlienka, ktorej silueta je nepriamo načrtnuteľná iba matematickým aktom. Z tohto hľadiska zaznamenávame, že riadiacou vedou, prostredníctvom ktorej prenikáme dovnútra kozmických tajomstiev, nie je ani tak fyzika ako matematika, alebo fyzikálna matematika. Je to viditeľné v osude dvoch slávnych vedcov: bratov Broglieovcov. Starší, vojvoda Maurice, bol predovšetkým fyzik; no mladší brat Louis, vzdelaním matematik, urobil za svojim čiernym stolom viac objavov ako Maurice v laboratóriu. Prečo? Pravdepodobne preto, že vesmír skrýva tajomstvo abstraktnej elegancie, v ktorom materiálnosť veľa nezaváži.

Táto intuícia sa približuje k riešeniam, navrhovaným novou fyzikou. Je však možné povedať čosi viac o tom tajomstve, ktoré sa ako podľa filozofa skrýva za vesmírom?

Keď berieme do úvahy matematický poriadok, ktorý sa odhaľuje v centre reality, rozum núti povedať, že ten neznámy, skrytý za kozmom, je prinajmenšom hypermatematická inteligencia, kalkulujúca a vzťahujúca, čiže vyrábajúca vzťahy, čiže musí byť abstraktná a duchovná. Pod viditeľnou tvárou reálneho je teda to, čo Gréci nazývali „logos“, inteligentný, rozumný prvok, čo spravuje, riadi, oživuje kozmos a spôsobuje, že tento kozmos nie je chaos, ale poriadok.

Tento opis tohto štrukturálneho prvku sa blíži spôsobu, akým sa dnes chápu základné fyzikálne polia. Aká je podstata týchto fyzikálnych polí?

Dostaneme sa k tomu neskôr, ale predtým pokladám za nutné bližšie určiť, čo sa dnes skrýva pod hmlistým pojmom elementárnej častice. Predovšetkým si treba raz navždy uvedomiť, že v atomickom svete sú iba štyri stabilné častice: protón, elektrón, fotón a neutrón. Existujú stovky ďalších, tie sú však oveľa menej stabilné, rozkladajú sa temer okamžite po svojom zjavení, alebo po kratšom či dlhšom čase.

Ako postupuje výskum, objavuje sa čoraz viac nových častíc, stále základnejších. Pri ponore do stredu jadra fyzici objavili nekonečný oceán jadrových častíc, ktoré sa zvyčajne nazývajú hadróny. Tu sa na chvíľu zastavíme: existujú iba tri možnosti, čo je za hranicou jadra. Prvá hypotéza predpokladá, že postup k nekonečne malému nemôže mať koniec. Vďaka čoraz mocnejším urýchľovačom častíc, fyzici za posledných tridsať rokov identifikovali množstvo častíc, menších a menších, menej stabilných a menej uchopiteľných, až sa zdá, že existuje nekonečný počet následných rovín reality. Pri takomto závratnom výskyte sa niektorých bádateľov zmocňuje pochybnosť: čo ak vlastne neexistuje nijaká naozaj „elementárna“ častica? Čo ak sú identifikovateľné častice zložené z čoraz menších a menších častíc a tento proces škatuľkovania nemá koniec?

Druhá možnosť, ktorú obhajuje menšia časť jadrových odborníkov, je založená na myšlienke, že raz sa nám podarí natrafiť na základnú rovinu hmoty, na akési „skalné dno“, zložené z neviditeľných častíc, za ktorými by bolo absolútne nemožné nájsť čokoľvek iné.

Nakoniec zostáva tretia hypotéza: na poslednej rovine by častice identifikované ako základné boli zároveň elementárne aj kompozitné. V tomto prípade by síce naše častice boli zložené z prvkov, ale tie by mali rovnaké vlastnosti ako ony. Pre názornosť si predstavme, že by po rozkrojení jablčného koláča na dve časti vznikli dva nové koláče so všetkými jablkami, úplne identické s pôvodným koláčom. Nech by sme robili čokoľvek, nepodarilo by sa nám získať dve polovice koláča. Dnes sa väčšina jadrových fyzikov podľa všetkého prikláňa k tejto možnosti: to zároveň prispelo k posilneniu teórie kvarkov.

Zdá sa, že táto posledná entita sa dosiahla aspoň v teórii, v tom, čo fyzici s trochou zlomyseľnosti nazvali „kvarky“. Prečo? Pretože tieto častice existujú v skupinách po troch, ako povestné „kvarky“, ktoré vymyslel James Joyce vo svojom románe Finnegans Wake (Finneganovo prebúdzanie). Ak ich chceme odhaliť, ponorme sa do vnútra jadra: nájdeme tam hadrón, dnes už dobre identifikované, zúčastňujúce sa na všetkých známych interakciách. A tieto častice sa podľa všetkého ešte delia na menšie entity: kvarky. S kvarkami sa začína doména čistých abstrakcií, kráľovstvo matematických veličín. Doteraz nebolo nikdy možné konštatovať fyzikálny rozmer kvarkov: nadarmo ich hľadali všade v kozmických lúčoch, v nekonečných laboratórnych pokusoch, nikdy ich nespozorovali. Model kvarku spočíva v akejsi matematickej fikcii, ktorá má tú zvláštnu prednosť, že podľa všetkého funguje.

Teóriu tejto hypotetickej častice po prvý raz predstavil v roku 1964 fyzik Murray Gel-Mann. Podľa tohto predpokladu všetky známe častice by pochádzali z kombinácie niekoľkých základných kvarkov, navzájom odlišných. Najprekvapujúcejšie je to, ako väčšina fyzikov prijíma názor, že kvarky zostanú navždy neuchopiteľné, vypovedané „na druhú stranu“ pozorovateľnej reality. Implicitne sa tým uznáva, že samo naše poznanie reality. Implicitne sa tým uznáva, že samo naše poznanie reality spočíva na „nehmotnej dimenzii“, na celku nevytvarovaných a neuspôsobených entít, nadradených časopriestoru, podstatou ktorého je iba oblak čísel.

To poukazuje na čisto metafyzické konštatovanie. Nemajú tie základné entity dvojakú tvár? Jedna abstraktná, by sa vzťahovala na oblasť podstát; druhá, konkrétna, by bola v kontakte s naším hmotným svetom. Kvark by potom bol akýmsi „prostredníkom“ medzi dvoma svetmi. Pomocou tejto intuície môžeme urobiť prvý náčrt, ktorý, ako sa zdá, momentálne najlepšie korešponduje s tým, čo sú kvarky, ak vôbec existujú. Táto domnienka začína byť vo svete fyziky známa pod trochu tajomným menom „S matrica“. O čo ide?

Táto teória sa v protiklade s klasickými teóriami nepokúša opísať kvark sám osebe, ale umožňuje zachytiť jeho tieň v interakciách. Z toho hľadiska elementárne častice neexistujú ako objekty, ako entity prejavujúce sa samy osebe, no sú zachyteľné prostredníctvom javov, čo vyvolávajú. Kvarky teda možno pokladať za „sprostredkujúce stavy“ v sieti interakcií.

Kde sa však zastaví naše hľadanie poslednej látky? Možno pri troch časticiach, ktoré akoby vytvárali celý vesmír. Sú to: elektrón a popri ňom dva druhy kvarkov – kvark „U“ (pre up – hore, horný), a kvark „D“ (pre down – dole, dolný). U a D predstavujú vlastnosť, ktorú fyzici nazvali „záchranca“. Tieto tri skupiny akoby samy zabezpečovali všetku zázračnú rozmanitosť síl, javov a tvarov vyskytujúcich sa v prírode.

Takto sme sa ocitli na konci cesty do nekonečne malého. Čo sme stretli na našej plavbe do srdca hmoty? Takmer nič. Znovu sa realita rozpúšťa, rozplýva v hmlistom, neuchopiteľnom: substancia, podstata reality je iba oblak možností, matematický opar. Pravá otázka smeruje k odhaleniu toho, z čoho je urobené to neuchopiteľné: čo je pod tým „nič“, na povrchu ktorého spočíva bytie?