18.10.2018 | Svátek má Lukáš


VĚDA: Den konce světa

19.3.2007

Mohou chystané experimenty na urychlovačích opravdu způsobit zánik Země?

Dne 13. března, naštěstí ne v pátek, ale v úterý, uveřejnila Česká televize na programu ČT1 pořad BBC s názvem „Den konce světa“. Jedna z jeho částí byla věnována hypotéze, že experimenty na právě spouštěném velkém urychlovači částic mohou vést k exotickým jevům, které způsobí zkázu celé Země. Podílím se, stejně jako řada dalších českých vědců, na přípravě experimentů, které budou probíhat na v současnosti největším urychlovači LHC (Large Hadron Collider). Ten se momentálně dokončuje v evropské laboratoři CERN a měl by být spuštěn koncem tohoto roku. Proto bych se pokusil vysvětlit některé skutečnosti, které se tohoto problému týkají. Zvláště pak důvody, které mě vedou k přesvědčení, že nic podobného tomu, co se ukazovalo ve zmíněném pořadu, nehrozí.

Samotný pořad jsem neviděl. Vzhledem k rekonstrukcím bytu nám v současnosti televize nefunguje. Znám ho pouze z vyprávění svých studentů, z propagačního komentáře na stránkách ČT a denního tisku. V každém případě byl také inzerován jako sci-fi, takže nebudu hodnotit kvality pořadu samotného či kvality jeho popisu vědeckých faktů. Spíše se pokusím popsat fyziku, která je s popisovanými problémy spojena, a ukázat pozorované skutečnosti, které naznačují, že prezentovaná událost nemůže nastat. Pokud se někdo chce dozvědět jen o tomto důkazu, může přeskočit hned k pointě na konci a vynechat trochu podrobnější popis různých katastrofických scénářů, který bude následovat.

O roli urychlovačů v katastrofických scénářích se nejčastěji píše v souvislosti s třemi hypotetickými jevy. První dvě možnosti jsou buď vytvoření mikroskopické černé díry, nebo exotického objektu, který se anglicky nazývá „strangelet“ (česky podivnůstka). Třetí možností je odstartování fázového přechodu vakua. Ve zmiňovaném pořadu se hlavně rozebíraly možnosti vzniku černé díry a podivnůstky, přičemž se tyto dva jevy tak trochu míchaly dohromady.

Než se podíváme na jednotlivé možnosti trochu blíže, zopakujme si pár potřebných znalostí o struktuře hmoty. Víme, že veškerá pestrost našeho světa je složena z atomů, které se skládají z atomového jádra a oblaku elektronů okolo něho. Jádro obsahuje téměř veškerou hmotnost atomu a skládá se z protonů a neutronů. I samotné protony a neutrony jsou složené a každý z nich obsahuje tři kvarky. Kromě dvou typů kvarků s označením u a d, které se vyskytují v protonech a neutronech, známe ještě čtyři další. Různé kombinace jejich spojení vytvářejí spoustu dalších složených částic (říká se jim hadrony). Všechny však jsou nestabilní a produkují se při srážkách částic (třeba právě protonů) s vysokou energií. Také elektron není sám a má dva těžší kolegy mion a tauon. Zároveň každá z těchto částic má svého neutrálního partnera – neutrino daného typu. Všech šest těchto částic se souhrnně označuje jako leptony. Jak šestice kvarků, tak i šestice leptonů má své protějšky ve světě antihmoty. To jsou základní částice, které podle současných představ hmotu tvoří.

Důležitou součástí popisu stavby hmoty jsou však také interakce. Známe čtyři. Nejslabší z nich je ta nejznámější – gravitační. To, že se v našem světě projevuje zdaleka nejviditelněji, je způsobeno dvěma jejími vlastnostmi. První je, že má jen jeden druh „náboje“ (hmotnost), a je pouze přitažlivá. Druhou je její působení, sice se vzdáleností klesající, ale až na nekonečné vzdálenosti. Gravitační vliv jednotlivých částic se tak sčítá a pokud máme velké objekty (třeba hvězdy či planety), dostaneme i velkou intenzitu gravitační síly. Elektromagnetická interakce je mnohem intenzivnější a působí také až na nekonečné vzdálenosti. Ovšem u ní existují dva druhy náboje – kladný a záporný - a příroda má tendenci vytvářet celkově neutrální systémy. Proto byla také elektrická síla poznána mnohem později než gravitační. Další dvě známé interakce už mají jen velmi krátký dosah. Silná interakce je nejsilnější. Je to právě ona, která drží pohromadě kvarky v protonu či jiném hadronu. Drží také pohromadě protony a neutrony v jádře. Její vlastnosti jsou takové, že za normálních podmínek nemůže kvark existovat volně a musí být vázán do hadronů. Slabá interakce má intenzitu mezi elektromagnetickou a gravitační. Umožňuje porušování některých zákonů zachování a průběh některých procesů, které má například silná interakce zakázány. Umožňuje tak například přeměnu jednoho kvarku na druhý a tím i existenci radioaktivity beta. V experimentech pozorujeme, že intenzita interakce se mění s hodnotou předávané energie. V dobách krátce po začátku velkého třesku, kdy byla hustota energie ve vesmíru velmi vysoká, by měly mít alespoň některé interakce stejnou intenzitu a předpokládá se, že tyto interakce byly sjednoceny do jedné. V současné době dokážeme popsat takové sjednocení elektromagnetické a slabé interakce. Pro sjednocení ostatních se správná teorie zatím hledá.

Sjednocení ostatních interakcí se zatím tedy jen předpokládá a právě při hledání teorií, které je dokáží popsat, by měly pomoci experimenty na stále větších urychlovačích. Velmi nadějné jsou v této oblasti tzv. strunové teorie, které předpokládají existenci ještě dalších rozměrů kromě těch, které známe. Ty by měly být svinuté a velmi malé, takže by se mohly začít projevovat až na velmi malých vzdálenostech a při velmi vysokých energiích srážejících se částic.

Urychlovač popisovaný v pořadu BBC patří k těm, které dokáží urychlit částice nebo atomová jádra na takové kinetické energie, že je jejich rychlost velice blízká rychlosti světla. Při srážce urychlených objektů se pak kinetická energie přeměňuje v jiné druhy energie a může vytvářet nové částice nebo oblast velice horké a husté jaderné hmoty. Čím je energie urychlených částic vyšší, tím může být vyšší i hmotnost nově vznikajících částic – je dána známým Einsteinovým vztahem mezi energií a hmotností. Pro příklad můžeme uvést, že právě dokončovaný urychlovač LHC může ve srážce protonu produkovat až částice tisíckrát těžší než je proton. S dosaženou kinetickou energií se zvyšuje teplota i hustota oblasti horké a husté hmoty vytvořené při srážce jader. Můžeme tak navodit a zkoumat podmínky, které ve vesmíru panovaly velice krátce po začátku velkého třesku. A teď se blíže podívejme na katastrofické scénáře zmiňované v pořadu BBC.

Vznik mikroskopických černých děr při srážkách částic s vysokou energií předpovídají některé z teorií sjednocení, které zavádějí další rozměry. Vyplývá to z toho, že tyto dodatečné rozměry by měnily vlastnosti gravitace na mikroskopicky malých vzdálenostech. Pokud by tyto dodatečné rozměry neexistovaly, tak by musela mít mikroskopická černá díra hmotnost, která je nejméně o patnáct řádů větší než umožňuje energetická limita dostupná na urychlovači LHC získat. Pokud ovšem existují další rozměry, jak to například předpokládají strunové teorie, může se nejmenší možná hmotnost mikroskopické černé díry a tím i energie potřebná k její produkci snížit až do oblasti na LHC dostupné. Takto vzniklé černé díry ovšem budou mít opravdu mikroskopické rozměry a hmotnosti. Pokud například vyjádříme hmotnost v kg, tak bude nižší než 10^-23 kg. Museli bychom tedy podělit kg číslem s 23 nulami. Gravitační přitažlivost takového objektu je mikroskopická. Stejně jako libovolná elementární částice (i podivnůstka) si gravitačně nic nepřitáhne. Pohlcování normální hmoty mikroskopickou černou dírou pomocí gravitačního přitahování umožňuje pouze další exotický předpoklad zmíněný za chvíli.

Další vývoj situace pak závisí na chování vzniklé černé díry. Pokud jsou v pořádku kvantové představy o gravitaci, které navrhl S. Hawking, měla by se mikroskopická černá díra velice rychle vypařit prostřednictvím tzv. Hawkingova záření. Rychlost, intenzita i energie vypařovaných částic je nepřímo úměrná hmotnosti černé díry. V případě produkce za podmínek na urychlovači LHC by standardně proběhlo vypaření za vzniku několika desítek částic s velmi vysokými energiemi téměř okamžitě. Průběh vzniku a zániku mikroskopické černé díry by se tak příliš nelišil od stejného děje u velice krátce žijících částic vznikajících na LHC ve velkých počtech. Ovšem přesnějším zkoumáním vlastností mikroskopických černých děr by se mohl například určit počet dodatečných rozměrů a jejich vlastnosti. K tomu, aby však vzniklá mikroskopická díra mohla ohrozit Zemi, by musela být představa o jejím vypařování chybná a nadbytečné rozměry by musely velmi silně modifikovat průběh gravitační síly na krátkých vzdálenostech, že by její zvětšená intenzita umožnila zvětšování její hmotnosti na úkor normální hmoty. To už jsou ovšem předpoklady velice exotické a skoro by se dalo říci z pohledu současné fyziky až obskurní.

Podívejme se na podivnůstky. Řekli jsme si, že za normálních podmínek jsou kvarky uvězněné v hadronech. Nedávno se však díky srážkám velmi těžkých jader s velmi vysokou energií podařilo potvrdit, že při velmi vysoké hustotě a teplotě jaderné hmoty vzniká její úplně nový stav. Kvarky jsou z hadronů uvolněny a vzniká tzv. kvark-gluonové plazma – systém volných kvarků (blíže například zde). Kvark-gluonové plazma, které by se skládalo jen z „obyčejných“ kvarků u a d, které známe z protonu, by bylo nestabilní. Jeho existence by byla omezena jen na dobu, kdy by existovaly podmínky s velmi vysokou hustotou a teplotou. Jiná situace by mohla nastat, kdyby kvark-gluonové plazma obsahovalo příměs třetího typu kvarků (tento kvark se nazývá podivný a označuje se písmenem s). Tento extrémní stav hmoty by mohl být stabilní nebo alespoň metastabilní i za normálních podmínek. Pro některé modely takové formy hmoty totiž dostáváme, že by kvark-gluonové plazma s příměsí podivných kvarků mohlo být vůbec nejstabilnější formou hmoty. Kousky takové hmoty, které by mohly vznikat právě při srážkách jader při velmi vysokých energiích, jsou pak oněmi podivnůstkami.

Nebezpečí, které by od podivnůstek hrozilo, by záviselo na jejich náboji. Mnohem nebezpečnější by byly záporné podivnůstky. Je to dáno tím, že atomová jádra jsou kladně nabitá a se záporně nabitými podivnůstkami se budou přitahovat. Vysvětleme si, čím je dán náboj takového objektu. Pro jednoduchost uvažujme jen kvarky (zapomeneme na antikvarky). Náboj je dán počtem jednotlivých kvarků: u (náboj je 2/3 velikosti náboje elektronu), d (-1/3 velikosti náboje elektronu), s (-1/3 velikosti náboje elektronu). Protože jsou kvarky fermiony (jako třeba právě elektrony), může být v jednom stavu jen jeden kvark stejného typu. V přírodě se obsazují nejdříve energeticky nejnižší stavy a je tak výhodný stejný počet kvarků různých typů. Pokud bude stejný počet všech druhů kvarků, dostaneme nulový celkový náboj. Pokud bude stejný počet u a d kvarků a méně s kvarků (jsou těžší - energeticky nevýhodnější) dostaneme kladný náboj. Ovšem existuje i možnost, že s kvarky budou hojnější (vázané budou lehké a energeticky výhodné) a pak je celkový náboj záporný. To je ta zmíněná záporná podivnůstka. Jaký systém je stabilní či nejstabilnější pro jaký celkový počet kvarků, závisí na vlastnostech silné a elektromagnetické interakce. Výpočty jsou velmi komplikované, neobejdou se bez řady zjednodušujících předpokladů a výsledky jsou nejednoznačné. Pokud však je nejstabilnější záporná podivnůstka, tak se po pohlcení protonu bude chtít systém dostat do nejnižšího energetického stavu a jeden z „normálních“ kvarků se slabou interakcí (nemusí zachovat fyzikální veličinu, kterou má pouze s kvark - podivnost) přemění na s-kvark, případně i se vznikem pozitronu (pro zachování náboje v případě přeměny kvarku u na s). A v konečném důsledku budeme mít pořád zápornou podivnůstku. Tak bude podivná hmota požírat a přeměňovat normální hmotu. Jediná malá podivnůstka může spustit přeměnu, která uvolní obrovskou vazbovou energii a spustí gigantickou explozi.

Ještě poznámka. Stejně jako atomové jádro u atomu může být i kladná podivnůstka obklopena elektrony. V případě většího objektu složeného z podivného kvark-gluonového plazmatu jsou obsaženy v podivné hmotě spolu s kvarky. Ty mohou sice prostupovat povrch, neboť neinteragují silně, nemohou však uniknout příliš daleko díky elektrickému přitahování kvarků. I tak je však šířka vrstvy elektronů tisíckrát větší než povrchová vrstva kvarků, která je díky silné interakci velmi úzká. Vrstva elektronů vytváří silný spád elektrického pole (vysokou povrchovou hustotu náboje), který odpuzuje jádra normální hmoty. Stejně jako v případě kladných podivnůstek by byla kladně nabitá jádra od takové hmoty odpuzována a ta by tak byla chráněna. Země by tudíž v ohrožení nebyla. Odpuzování nenastává v případě, kdy je hmota složena z neutronů, jako je tomu v případě neutronové hvězdy. V tomto případě elektrický náboj nebrání dostatečnému přiblížení podivnůstky a neutronu. Když se podivnůstka s neutronem setká, je jí neutron pohlcen. Podivnůstka, která se dostane do neutronové hvězdy, bude také narůstat absorpcí neutronů a přemění případně neutronovou hvězdu na hvězdu složenou z podivného kvark-gluonového plazmatu - podivnou hvězdu (také se jí někdy říká kvarková hvězda). Taková přeměna by opět byla katastrofickou událostí a díky větší hmotnosti než u Země by se uvolnilo ještě daleko více energie. Podivné hvězdy by se dost podobaly neutronovým. Měly by však například větší hustotu, tedy pro stejnou hmotnost menší poloměr (blíže zde). Ač se intenzivně hledají, zatím žádná nalezena nebyla. Totéž se dá říci o podivnůstkách. Na rozdíl od případu vzniku mikroskopické černé díry jsou podivnůstky založeny na experimentálně dobře ověřených teoriích popisujících silnou, slabou a elektromagnetickou interakci. Ovšem výpočty snažící se zjistit, zda podivnůstky existují a jaké mají případné vlastnosti, jsou velice náročné a nevedou k jednoznačnému závěru. Spíše však preferují neexistenci podivného kvark-gluonového plazmatu a ještě více bezpečnost Země z tohoto hlediska.

Třetí zmíněnou možností je fázový přechod vakua. Vakuum není prázdnota, ale velice komplikovaný fyzikální objekt (blíže třeba zde). Podle kosmologických modelů založených na hypotézách o sjednocení interakcí docházelo během rozpínání vesmíru v době, kdy poklesla jeho teplota (hustota energie) pod určitou hodnotu, k vydělování interakcí a fázovému přechodu mezi různými stavy tzv. falešného vakua (není to vakuum na nejnižší energetické úrovni). Takhle se postupně vydělily čtyři známé interakce. Lze tedy vyslovit hypotézu, že při ještě větším snížení teploty vesmíru by mohlo dojít k vydělení ještě páté interakce. Co když jsme právě na této kritické teplotě? Co když je naše vakuum falešné a už trochu podchlazené? A srážka částic s velmi vysokou energií bude právě tím startérem fázového přechodu. Taková hypotéza je z rodu těch fantastických. Nemá oporu v žádných experimentálních datech. Nelze o ní nic odvodit z experimentálně ověřených teorií, a tedy ani určit pravděpodobnost jejího uskutečnění. Jediné, co lze říci je, že je tato možnost spíše nereálná.

Je třeba znovu zdůraznit, že všechny zmíněné jevy, které by mohly vést ke katastrofě, patří do oblasti spíše velmi exotických fyzikálních hypotéz.

Vlastnosti hmoty vznikající při srážkách velmi energetických částic či jader mohou být mimořádně exotické. Z mého předchozího popisu je vidět, že ohrožení Země produkcí mikroskopické černé díry, podivnůstky či odstartováním fázového přechodu falešného vakua je velmi nepravděpodobné. Že je předpovídají spíše jen extrémní hypotézy. Ale pochopitelně je nelze vyloučit úplně. Fyziku, která funguje za tak vysokých energií srážek, jaké budou na LHC, můžeme částečně extrapolovat pomocí známých teorií, ale přesnost našich předpovědí je značně omezená. Vždyť právě proto se tyto experimenty dělají a každý ze zúčastněných fyziků v skrytu duše doufá, že se objeví něco úplně nečekaného a překvapujícího.

Z čeho pak lze brát jistotu, že jsou tyto experimenty bezpečné a srážky částic či jader na urychlovači LHC nás neohrozí? Důkaz bezpečnosti nám poskytuje samotná příroda. Ze všech stran kosmického prostoru přilétají do zemské atmosféry částice a jádra velmi vysokých energií. Ty zatím nejenergetičtější pozorované měly energii sto milionkrát vyšší než je hodnota plánovaná pro protony na LHC. Mohla by vás napadnout otázka, proč se vlastně velké urychlovače staví a proč nevyužijeme kosmické záření. Problémem je, že plošná hustota částic kosmického záření s velmi vysokou energií je velmi malá. Pokud bychom si vzali částice s energií vyšší než je ta, která je dosažitelná na LHC, dostaneme číslo zhruba 0,001 částic na m2 a sekundu. Maximální počet srážek dosahovaných na LHC by měl být zhruba 10^9 za sekundu, a tedy o dvanáct řádů více. Ovšem, když vezmeme plochu Země, ostatních planet a Slunce, dostáváme zhruba 10^16 srážek za sekundu. Toto číslo je desetmilionkrát větší než počet srážek na LHC a navíc kosmický stroj pracuje nepřetržitě miliardy let. Zdůrazněme, že nejpodobnější srážkám na LHC jsou srážky kosmického záření s povrchem tělesa bez atmosféry (třeba našeho Měsíce). V kosmickém záření jsou obsaženy i relativně těžká jádra (jeho složení se blíží výskytu jednotlivých prvků ve vesmíru), takže nám jeho srážky ukazují i situaci jaderných srážek na LHC. I těchto srážek proběhlo v okolním vesmíru o mnoho řádů více, než jich uskutečníme na LHC. Ještě by se mohla objevit námitka, že může být důležité, zda je vzniklá podivnůstka vůči okolní hmotě v klidu nebo se velmi rychle pohybuje. Při srážce jádra kosmického záření s jádrem v materiálu v klidu má většina produktů velkou rychlost ve směru původního pohybu kosmického záření. Při srážce proti sobě letících jader na urychlovači LHC tato tendence není a je větší pravděpodobnost získat podivnůstku s malou rychlostí vůči okolí. Ovšem stále se uplatňuje obrovská převaha počtu srážek kosmického záření a navíc pokud je podivnůstka nabitá (ohrožuje nás pouze záporně nabitá), bude po svém vzniku při pohybu bržděna a zpomalována interakcí svého elektrického nábojem s atomy materiálu.

Je vidět, že naše technika je pořád daleko za přírodou. To je také důvod, proč se třeba naděje na detekci projevu vzniku mikroskopické černé díry upírají k nově vybudovaným velkoplošným detektorům kosmického záření těch nejvyšších energií. Patří k nim třeba experiment Auger v Argentině, na němž se ostatně čeští fyzikové také podílejí. Řada fyziků jim dává mnohem větší šanci než urychlovači LHC. Existencí kosmického záření je zároveň zaručeno, že fyzika při srážkách s těmito energiemi nám nepřináší žádná rizika. Ve sluneční soustavě totiž žádné katastrofické jevy způsobené srážkami částic kosmického záření s vysokou energií nepozorujeme. I posuzování možných rizik vstupu do hájemství nové fyziky velmi vysokých energií bylo součástí projektování a schvalování nového urychlovače. Realita srážek kosmického záření o ještě daleko vyšších energiích je pak nejpádnější odpovědí na možné obavy.

O tom, že experimenty na urychlovači nepředstavují pro Zemi žádné riziko, jsem plně přesvědčen. Stejně jako další čeští fyzikové, kteří se účastní projektů spojených s budovaným urychlovačem v laboratoři CERN. Pokud má někdo zájem si přečíst podrobnější popis toho, co by se mohlo na LHC objevit, může se podívat na článek, který jsem psal pro časopis Kozmos.

ÚJF AVČR Řež

Proč se jich nemusíme obávat?

Tři hypotetické příčiny budoucí katastrofy

Současná teorie struktury hmoty – kdo již zná, přeskočí dále


Diskuse


Leoš
13:47
20.3.2007

Pavel Filip
Ano
21:52
19.3.2007

Josef Navrátil
13:29
20.3.2007

Jirka
18:11
19.3.2007

J.G. Pašek
17:54
19.3.2007

Nestranný pozorovatel
10:51
19.3.2007

brok
10:26
19.3.2007

i.h.
10:19
19.3.2007

elastický křupan
20:08
19.3.2007

RomanL
10:09
19.3.2007

Hledajíci
10:09
19.3.2007

jarda
11:30
19.3.2007

blackblister
11:50
19.3.2007

Josef Navrátil
17:12
19.3.2007

L
8:12
19.3.2007

Vojcek
12:23
22.3.2007

L
13:15
29.3.2007

Ske/ptic/us Ma/ximus
7:54
19.3.2007

S/kepti/cus Max/i/m/us
8:55
19.3.2007

jirka.s.
18:49
19.3.2007

jirka.s.
18:46
19.3.2007

Netřeba
6:57
19.3.2007

Laws
2:03
19.3.2007

JJ
1:03
19.3.2007

gogo
0:38
19.3.2007

L8M
17:11
19.3.2007

počet příspěvků: 53, poslední 12.4.2007 01:18









 Neviditelný pes
Toto je DENÍK: do sítě jde obvykle nejpozději do 8.00 hod. aktuálního dne. Pokud zaspím, opiji se, zešílím nebo se zastřelím, patřičně na to upozorním - neboť jen v takovém případě vyjde Pes jindy, eventuálně nikdy.
Šéfredaktor Ondřej Neff (nickname Aston), příspěvky laskavě posílejte na adresu redakce Jiřímu Wagnerovi, redaktorovi NP (nickname JAG). Rubriku Zvířetník vede Lika.