Z čeho je utkán vesmír: Co všechno víme o tajuplném světě mikročástic?

Myšlenkou elementárních částic se zabývali již učenci v dobách antiky, ale zásadní zvrat přišel až na přelomu 19. a 20. století. Tehdy se – k údivu některých konzervativců – ukázalo, že je atom dělitelný a skládá se z ještě menších částic. Jak se je dařilo hledat a na co si částicoví fyzikové snaží „posvítit“ v současnosti?

Atom není nejmenší

Atom – z řeckého „átomos“, tedy „nedělitelný“ – definoval už v 5. století př. n. l. řecký filozof Demokritos jako základní, elementární částici, z níž sestává veškerá hmota kolem nás. Dnes samozřejmě víme, že pravda není ani jedno: Atomy lze dělit na menší, subatomární částice, a navíc tvoří pouze viditelnou čili zářící hmotu, které říkáme baryonová, přičemž v současném vesmíru reprezentuje zhruba jen 4–5 %. Zbytek připadá na skrytou látku a skrytou energii (viz Skrytá, nebo temná?). 

Celou tuto myšlenkovou revoluci odstartoval v roce 1897 Joseph J. Thomson, jenž při studiu energie přeměněné z elektrického proudu v katodové trubici objevil novou částici s nábojem – elektron. Britský fyzik, který mimo jiné roku 1906 získal Nobelovu cenu za výzkum elektrické vodivosti plynů, ještě netušil, že postavil základy zcela nového, vzrušujícího vědeckého odvětví – částicové fyziky. Atom se stal záhy nikoliv elementární částicí, nýbrž objektem důkladnějšího studia a prostředím pro hledání ještě mnohem menších stavebních kamenů hmoty kolem nás. A jejich objevy na sebe nenechaly dlouho čekat. 

Jak ale vypadá?

V roce 1911 přišel britský fyzik Ernest Rutherford s prvním modelem atomu, jehož centrální část tvoří kladně nabitý hmotný celek a elektrony se kolem něj pohybují jako planety kolem Slunce – zatímco Thomson si je představoval rozmístěné v hmotě s kladným nábojem jako rozinky v pudingu. Dánský fyzik Niels Bohr se roku 1913 pokusil atom popsat sofistikovaněji než jeho předchůdci. Vzal již v úvahu možnost nabuzení elektronu pomocí energie a jeho „přeskočení“ na vyšší energetickou hladinu, slovy fyziky „kvantování momentu hybnosti“. Hmotný celek uprostřed, tedy jádro, v jeho modelu tvoří kladně nabité protony (proton je asi 1 836krát hmotnější než elektron). 

Roku 1922 obdržel Bohr za svůj model Nobelovu cenu za fyziku. Významně rovněž podpořil domněnku o fotonu – tedy kvantu elektromagnetické energie nebo také částici záření – který nezávisle zkoumal například americký fyzik Arthur H. Compton či samotný Albert Einstein a jenž se vyzáří při sestupu elektronu z nabuzeného stavu do základního. 

Záhadná částice

O deset let později doplnilo Bohrův model experimentální ověření existence neutronu čili neutrálního a téměř stejně hmotného společníka protonu. Nutno dodat, že geniální rakouský fyzik Erwin Schrödinger zavedl v roce 1926 model atomu, kde je poloha elektronů okolo jádra dána pouze pravděpodobností jejich výskytu.

Představu o atomu pak do jisté míry završilo zkoumání nechvalně proslulé radioaktivity, tj. samovolné přeměny zejména těžších prvků uvolňováním záření. Za výzkum přitom v roce 1935 zaplatila životem polská fyzička Marie Curie-Skłodowská. Radioaktivita se projevuje několika typy záření: Alfa představuje kladně nabité záření jader helia, beta reprezentuje záření elektronů, ale i pozitronů, v případě záření gama jde o vysokoenergetické fotony a nakonec se jedná o záření neutronové. 

Beta záření zaujalo fyziky nejvíc: Za předpokladu, že ho způsobuje rozpad neutronu na proton a elektron, ukazovalo pozorování na existenci další částice, která se při tom musí objevit, aby zůstal v platnosti zákon zachování energie. Tajemnou částici předpověděl v roce 1931 rakouský fyzik Wolfgang Pauli a nazval ji neutrino. Trvalo však dalších 25 let, než se nepolapitelné neutrino podařilo experimentálně potvrdit.

Nové otázky

Mohlo by se zdát, že při průzkumu složení atomu v první polovině 20. století odhalili vědci vše, co o podstatě látky víme. Ale opak byl pravdou. Částicová fyzika otevřela brány ke zcela nevídaným světům, možnostem i do té doby nemyslitelným pokusům, vedoucím k hlubšímu pochopení „říše kvant“.

TIP: Největší záhady astrofyziky: Rozluštíme tajemství temné hmoty? A mohou existovat paralelní vesmíry?

Stala se tak nástrojem chápání zákonitostí ve vesmíru jak v makrokosmickém měřítku, tak v tom zcela nejmenším, a přinesla jednu z nejzásadnějších výzev současné fyziky: nalézt teorii velkého sjednocení. Částicová fyzika totiž badatelům představila nové typy interakcí, o nichž se před rozborem atomu příliš nevědělo. V současnosti známe čtyři tyto základní pilíře mikrosvěta i makrosvěta, ale jejich matematické sjednocení stále představuje problém.

Pokračování: Z čeho je utkán vesmír (2): Co všechno víme o tajuplném světě mikročástic?