O vesmíru s Jiřím Chýlou

Jiří Chýla

(*1948) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, obor subjaderná fyzika. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá teorií elementárních částic orientovanou na úzkou spolupráci s experimenty. Od počátku 90. let přednáší na Matematicko-fyzikální fakultě UK. S kolegy z této fakulty a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské vede Centrum částicové fyziky, jehož pracovní týmy se podílejí na řadě důležitých experimentů v hlavních světových laboratořích fyziky částic. Spolupracuje s experimenty v DESY v Hamburku a v CERN v Ženevě. Do zvolení členem Akademické rady AV ČR v březnu 2009 byl předsedou Rady Fyzikálního ústavu AV ČR (více informací -

zde

).

Ve filmu Woodyho Allena Annie Hallová vede matka svého syna Alvyho k psychiatrovi, protože chlapec má deprese. Devítiletý Alvy si totiž přečetl, že se vesmír rozpíná, a bojí se, že všechno kolem bude nakonec roztrháno. Odmítá proto dělat domácí úlohy, připadá mu, že to nemá smysl. Autor scénáře tu prokázal přímo věštecké schopnosti; v roce 1977, kdy byl film natočen, mohl jen málokdo tušit, jak mocná může být síla, která vesmír dokáže „nafouknout“. Byla to doba, kdy se inflační teorie teprve rodily.
Scénářů, podle nichž mohla inflace probíhat, je více. Během nesmírně krátkého okamžiku 10–35 sekundy se vesmír z naprosto nepatrného objemu stačil zvětšit 1028krát, takže na konci inflace měl zhruba centimetr v průměru (podle jiných scénářů se ale vesmír zvětšil natolik, že se již rozprostíral přes mnohem větší oblast, než dnes můžeme pozorovat). Teprve když prudké „rozfouknutí“ skončilo, objevily se v kosmu, který byl stále nesmírně žhavý a hustý, základní stavební částice hmoty.
Důkazy o tom, že inflace skutečně proběhla, nacházejí vědci například ve zbytkovém mikrovlnném záření, „dosvitu“ velkého třesku. Jak ale k inflaci došlo, odkud se vzala síla, která vesmír bleskurychle nafoukla? Tajemství v sobě zřejmě ukrývá vakuum. To totiž vůbec není prázdné, probíhají v něm kvantové fluktuace a obsahuje všechny možné virtuální páry různých částic. „Bublá to v něm, je jako moře, nebo spíš horká polévka,“ říká o vakuu český odborník na elementární částice Jiří Chýla. (Z článku v Respektu 42/09.)

(On-linerozhovorjehodinový,je tedy časově ohraničen, proto výběr dotazů a také rozsah odpovědí je na dotazované osobnosti. Rozhovory podléhají pravidlům diskusního fóra uvedeným v obchodních podmínkách. Vámi vložené dotazy se zobrazí s malým časovým zpožděním.)

:00SokratesPane profesore, v článku zvoucím na rozhovor s Vámi, napsal patrně pan Uhlíř, o podmínkách ve vakuu: „není prázdné, probíhají v něm kvantové fluktuace a obsahuje všechny možné virtuální páry různých částic“. Mám tedy k Vám tento dotaz: pokud se ztotožňujete s tímto uvedeným názorem, zdali mají ty virtuální páry ve vakuu hmotnosti opravdu všech možných velikostí? Ještě poddotaz: jaká je střední hustota těch virtuálních párů ve vakuu?11:07Jiří ChýlaFormulaci Martina Uhlíře bych malinko upravil na „virtuální páry částic a jejich antičástic“, tedy například pár virtuálního elektronu a virtuálního pozitronu. Výraz „virtuální“ znamená, velmi zhruba řečeno, že nejde o reálné částice (např. elektron a pozitron), které existují v přírodě jako izolované objekty nekonečně dlouho, ale kvantové stavy, které se jim v jistém smyslu podobají. Přesněji to nelze bez pomoci fyzikálních výrazů vyjádřit. Ptáte-li se na hmotnosti těchto párů, odpověď záleží na tom, co myslíte pod pojmem „hmotnost páru“, například virtuálního elektronu a pozitronu. Pokud myslíte opravdu hmotnost této dvojice, je odpověď nula, tj. součet hybností onoho virtuálního elektronu a pozitronu je nula. Pokud myslíte hmotnosti virtuálního elektronu či pozitronu je odpověď jiná a složitější, neboť, jak jsem uvedl, nejedná se o reálné částice. Formálně jsou tyto hmotnosti ryze imaginární, ale to již zabředávám to matematiky. Pokud Vás zajímá podrobnější odpověď, pošlete mi emailovou adresu, pokusím se ji zformulovat.
Z hlediska charakterizace onoho páru virtuální částice a antičástice je nejvhodnější hovořit o velikosti v prostoru, tj. vzdálenosti mezi místem, kde se ve vakuu „narodí“ a kde zase ve vakuu „zanikne“. Tato velikost je skutečně libovolná, s tím, že „nejvíce“ je ve vakuu „malých“ párů, čím menších tím je jich více.
Pokud jde o „hustotu“ virtuálních párů ve vakuu, je přímočará odpověď neuspokojivá: nekonečná. Kvantová teorie pole si s tímto nekonečnem dokáže poradit, ale není to možné vysvětlit bez matematického aparátu.:00Kamil SedlákAhoj Jirko, zdravím Tě coby svého (bývalého) Učitele. Mám obecný dotaz ke kosmologii. Nakolik můžeme věřit současným představám a teoriím o struktuře, vzniku a vývoji vesmíru, když v současné době fyzikálně „rozumíme“ hmotě jen v určitém rozmezí tlaků, teplot, energií, vzdáleností, … a pro popis vývoje vesmíru musíme naše omezené znalosti extrapolovat do oblastí zcela mimo naše poznáni světa? Vždyť na LHC se v energetické škále posouváme jen o malý krůček oproti dřívějším urychlovačům, a přesto nedovedeme spolehlivě předpovědět, co se naměří.11:08Jiří ChýlaAhoj Kamile,
rád Tě opět na dálku slyším. Extrapolaci současného kosmologického modelu můžeme bez obav věřit hodně daleko do minulosti, určitě do miliardtiny vteřiny po Velkém třesku, neboť částice a síly, které při popisu vývoje vesmíru od tohoto okamžiku do dneška používáme, dobře známe z existujících experimentálních dat (LEP, HERA, Tevatron). Astrofyzikální data však jasně ukazují, že tyto nám známe částice a síly nedokáží současný vesmír popsat. Ve vesmíru je temná hmota a temná energie, jejichž podstatu v rámci současného kosmologického modelu a současného standardního modelu mikrosvěta nechápeme. Stejně tak není zcela jasný ani mechanismus, jak ve vesmíru vznikl přebytek hmoty nad antihmotou. Pro všechny tyto problémy existují vysvětlení v rámci rozšířeného standardního modelu (supersymetrie, teorie velkého sjednocení, teorie s extra dimenzemi, struny), ale ty prověřeny nemáme a tady máš samozřejmě pravdu, při extrapolaci do doby před cca miliardtinou vteřiny po Velkém třesku musíme být opatrní. Právě proto doufáme, že experimenty na LHC ukáží, které z těchto rozšíření se v přírodě realizuje, případně přinese úplně něco nového.:14Miloslav FrancůDobrý den, pane profesore,začnu s dovolením citací Vašeho kolegy…
Cit.: „Může se také postupně ukazovat, že lidský mozek nikdy nebude schopen odhalit nejhlubší zákony, jimiž se příroda řídí,“ říká Jiří Bičák. Předesílám, že mě pokelvinovská fyzika vždy fascinovala (a zpočátku i živila, jako vzděláním fyzikálního chemika, později však svedeného ICT).Dnes jsme ale stále více nuceni si uvědomovat, že jakási zbrklost „Lidstva“, zřetelně explikovaná zejména v paradigmatu „růstu růstu“, dovolila zbožnit „iracionální racionalitu“ a zapomenout i na Matku Gaiu, natož prožívat a chápat a ne-negovat naše vztahy k ní.
Myslíte, že by se imaginace, kterou Vy i Vaši kolegové po celém světě překypujete, mohla v této kritické časové fázi - zřejmě rodícího se nového paradigmatu (nebo už žádné nebude?) nasměrovat i do kontaktů s teorií komplexity, chaosu, filozofického promýšlení evoluce, kohabitace s Gaiou…
Abychom ty rezonance, tak závažné v teorii strun, začali „pociťovat“ a „prociťovat“ i v kontextu celé dosažitelné přírody (o smysluplné symbióze sociologické ani nemluvě).
Připomínám tím i Snowovy „Dvě kultury“, případně „Třetí kulturu“ Johna Brockmanna, popularizaci vědy…
Děkuji za pár slov k tomu, o čem lze hovořit roky (pokud si je uchováme).11:09Jiří ChýlaNevím, zda to budete považovat za odpověď na svou otázku, ale začnu tím, že naváži na výrok Jiřího Bičáka. Já si dokonce myslím, že lidský mozek nikdy nebude schopen odhalit nejhlubší zákony, jimiž se příroda řídí, neboť ty nejhlubší zákony možná ani neexistují. Pro mne je jejich hledání, ne nalezení, samotným smyslem vědeckého bádání, ve smyslu beatnického, nebo horolezeckého, „cesta je cíl“. Abych byl trochu konkrétnější, vývoj v posledních cca 20 letech ve fyzice mikrosvěta (jinak též nazývané subjaderná fyzika nebo fyzika elementárních částic) vedl ve svých důsledcích určitou skupinu fyziků k zásadní změně pohledu na to znamenají pojmy „základní zákony fyziky“ či jak interpretovat samotný výraz „pochopit“. Snaha najít „teorii všeho“ a víra, že takovou teorií je teorie strun (tj. teorie, v níž základními objekty nejsou částice, ale dvourozměrné struny, které ovšem „žijí“ ve více rozměrném prostoročase) přivedla k dnešní situaci, kdy tato „fundamentální“ teorie má neskutečně mnoho řešení, jejich počet je naprosto nepředstavitelné číslo začínající jedničkou, za niž je tisíc, nebo možná jen pět set, ale také možná dokonce tisíc pět set nul. Všechna tato řešení jsou v principu stejně dobrá a jedno z nich se realizuje v našem vesmíru. A o těch ostatních se předpokládá, že odpovídají tzv. kapesním vesmírům moderní inflační kosmologie, která předpovídá, že náš, tj. námi pozorovatelný vesmír, není jediný, který mechanismem inflace vznikl, ale že takových vesmírů je mnoho a že tyto vesmíry vznikaly a budou vznikat z jakési „pralátky“ aniž se o jejich skutečné existenci budeme moci přesvědčit. Je toto pokrok v chápaní zákonů přírody? Není toto spíše než teorie všeho teorií čehokoliv? Je to triumf fyziky nebo její krach? Není to moderní parafráze na Sokratův výrok „vím, že nic nevím“? Nevíme a i fyzici se v pohledu na současné směřování moderní fyziky neshodnou.:41Michal KrutisDobry den.Pane profesore,v clanku je zmineno,ze pri pokusu o syntezu teorii se zkousela aplikace vzorce z 18.stol., ktery vsak fungoval jen ve 26 rozmerech… O kolika moznych rozmerech (krome nam tri znamych) vedci uvazuji?11:26Jiří ChýlaTěch možností je více. V tom, co bych nazval ortodoxní teorie strun, je celkový počet prostorových rozměrů 10, čili ty tři „naše“ plus 7 „extra“. V posledních deseti letech se objevili nové teorie, které se snaží sjednotit všechny známé síly včetně gravitace, v nichž není počet extra prostorových rozměrů předem určen matematickou konzistencí teorie (jako je tomu u zmíněné teorie strun), ale je to volný parametr, který je třeba určit z experimentu. Přitom čím menší počet těch extra rozměrů, tím na vetších vzdálenostech by se jejich existence měla projevit. Z experimentálních měření vyplývá, že jich musí být nejméně 3 až 4. Čas ve všech těchto teoriích je jen jeden. Je ovšem třeba zdůraznit, že my tyto extra prostorové rozměry nikdy „neuvidíme“, v nich možná „žijí“ fyzikální zákony, ale ne my.:00MagdaPane Chýlo, je skutečností, že v „blízkosti“ naší Země (Mléčné dráhy) je tzv. Černá díra, ke které se galaxie přibližuje?
A pak bych se Vás ještě ráda zeptala, zda si myslíte, že naše základní a střední školství dostatečně pružně reaguje na právě nově přibývající teorie a i výsledky výzkumů (pokud nikoliv, jaký přístup byste volil Vy?)?11:10Jiří ChýlaAno, ve středu naší galaxie, v souhvězdí Střelce, se velmi pravděpodobně nachází masivní černá díra, jejíž hmotnost je zhruba 4 milionkráte větší než hmotnost Slunce. Nejpřímějším svědectvím je rychlost oběhu cca 20 nebližších hvězd kolem středu Mléčné dráhy, která daleko přesahuje rychlosti, které odpovídají viditelné hmotnosti v okolí středu Mléčné dráhy. Tato černá díra může v principu silou své přitažlivosti jednotlivé hvězdy „požrat“, ale my se bát nemusíme, jsme hodně daleko. K druhé otázce. O základní škole mluvit nedokáži. Pokud jde o střední školy, můj dojem, vycházející z poměrně častých styků s učiteli fyziky na středních školách v Praze i mimo Prahu, je, že na fyziku je na středních školách zoufale málo (a stále méně) času, takže na zařazení aspoň základních informací o moderní fyzice či vědě vůbec, není čas. Pokud jde o ty skutečně nejnovější výsledky, či spíše spekulace, ve fyzice, jako jsou struny, extra dimenze prostoru, či inflační modely vzniku vesmíru, není to podle mého názoru ani škoda, ty na střední školu nepatří. Jiná věc jsou základy dvou teorií, na nichž je postaven celý svět kolem nás, včetně všech moderních technologií, tj. teorie relativity a kvantové teorie. Bylo by jistě dobré, aby třeba žáci chápali, jak aspoň v principu svítí Sluníčko. Ale i tady je časové omezení rozhodující. Nemá smysl napsat Schrödingerovu rovnici kvantové teorie nebo Lorentzovu transformaci ve speciální teorii relativity aniž dáme žákům čas se s vysoce neklasickými pojmy těchto dvou teorií „sžijí“ a aniž jim vysvětlíme jak dlouhá a nesnadná cesta k nim vedla, jak se většina fyziků dlouho a úporně bránila opustit pojmový rámec klasické fyziky. V takové situaci je o to více důležitá role středoškolských učitelů, aby případné zájemce o nové výsledky vědy a výzkumu nasměrovali tam, kde se o nich mohou dozvědět, tj. na vysoké školy a do ústavů Akademie věd.:15K. ŠafářLze ovlivňováním pohybu částic v jednom vesmíru ovlivnit i děni v jiném?11:10Jiří ChýlaPokud máte „jiným vesmírem“ na mysli „kapesní vesmíry“ současné inflační kosmologie, pak odpověď je nikoliv.:40Miroslav DočkalDobrý den, je podle současných poznatků energetická hustota fyzikálního vakua („bublaniny“) nekonečná? A proč? A lze jednotlivé vznikající inflatující vesmíry seřadit v nějakého posloupnosti (časové nebo „pseudočasové“, kauzální apod.)? Nebo vznikají mimo čas a prostor, takže vlastně z našeho pohledu „najednou“? A má tedy fyzikální vakuum svou historii (to by asi filozoficky dost kolidovalo z jeho nekonečností minimálně směřem dozadu, do minulosti), nebo ne?11:55Jiří ChýlaKdybychom vzali existující teorie elektromagnetických, slabých a silných sil, které působí v mikrosvětě, vážně i na těch nejmenších vzdálenostech, byla by odpověď: ano je nekonečná. My však víme, že to, co se děje na vzdálenostech miliard miliardkrát menších než je poloměr protonu (což je milióntina miliardtiny metru), bude něco složitějšího, čemu zatím nerozumíme. Pokud spočteme hustotu vakua bez příspěvků kvantových jevů na těchto malinkatých vzdálenostech, dostaneme konečné číslo, které je ovšem o zhruba 120 řádů větší hodnota tzv. kosmologické konstanty, jež je zodpovědná za fakt, se se rozpínání vesmíru zrychluje. Ve standarním kosmologickém modelu spojeném s kvantovou teorií sil mikrosvěta, je totiž hustota enegie vakua dymanickou podstatou kosmologické konstanty. Tento dramatický nesouhlas předpovědi teorie a experimentem naznačuje, že vakuu kvantové teorie pořádně nerozumíme.
Pokud jde o otázky, týkající se časové sekvecne vzniku jednotlivých „kapesních“ vesmíru v rámci inflační kosmologie, není odpověď jednoduchá a neshodnou se na ní ani experti (což já nejsem). Tyto další vesmíry, které při inflaci prapůvodního vakua, které se chová jako „antigravitující látka“, vznikají podle teorie inflace všude a pořád, ale my se o tom nemůžeme přímo přesvědčit. Ve většině variací na myšlenku inflace má inflace začátek v čase, ale prostor je a vždy byl nekonečný. Nevím, zda jsem na vaše otazky odpověděl, ale líp to nedokaži.:20VieraDobrý den, zajímalo by mě, jak nahlížejí vědci na vědomí - jistě je součástí našeho vesmíru. Není možné považovat vědomí za další fyzikální rozměr, ve kterém žijeme? ( Je možné zkoumat nějaký jev takto zevnitř? )
Děkuji za odpověď12:05Jiří ChýlaNarážíte na otázku, kterou považuji za velmi závažnou, ale současně těžko uchopitelnou. Domnívám se, že právě při snahách pochopit, co to je vědomí a vůbec život, hraje kvantová teorie systémů mnoha částic (to „mnoha“ je klíčové) nezastupitelnou roli. Například já si nedovedu představit klasický model mozku, tj. model, který by vycházel z klasické fyziky a vedl na v klasickém smyslu deterministický popis jeho činnosti.
Chápat vědomí jako další rozměr prostoru, v němž žijeme, si však nedovedu představit.:11TomVazeny pane profesore,
myslite, ze se do roku 2020 dockame nalezeni Higgsova bosonu? Popripade jinych variant jako zadny Higss nebo spousta jinych castic. Nejde mi ani tak o konkretni vysledek, spise o casovy odhad, kdy se na neco prijde.12:10Jiří ChýlaPokud existuje a podaří se uvést do plného provozu urychlovač LHC v CERN, tak velmi pravděpodobně ano. Ale Higgsův boson jako projev narušení jisté symetrie elektroslabých sil v mikrosvětě, nemusí existovat, neboť ono narušení může být realizováno složitějším způsobem, v němž částice zvaná Higgsův boson neexistuje.:38J. ZázvorkaDobrý den.
Pane profesore, není to sice přímým tématem rozhovoru, ale vlastně se to výzkumu vesmíru týká: jak se díváte na současnou situaci kolem financování vědy? A proč premiér Fischer nepřišel ke kulatému stolu? Znamená to, že nalézání dalších odpovědí a ještě podnětnějších otázek z nich vyplývající (o kosmu) bude upadat a možná srovnatelné s temným obdobím středověku?12:22Jiří ChýlaTo že premiér Fischer ke kulatému stolu, který sám inicioval, nepřišel, mne osobně velmi mrzí, neboť důvody, které dopise předsedovi Akademie uvedl (a jenž jen na webové stránce vlády) nechápu. Ten stůl neměl být o financování Akademie, ani nešlo o jednání s Akademií, ke stolu premiér pozval 23 osob, z nichž bylo z Akademie jen 5, další byli rektoři vysokých škol, podnikatelé a zástupci Rady vlády pro výzkum a vývoj. Jednat se mělo o celkovém systému výzkumu a vývoje u nás a o možnostech, jak tento systém dále upravit. To, že se dva dny před termínem kulatého stolu konala na Palachově náměstí demonstrace organizovaná třemi iniciativami mladých pracovníků Akademie a vysokých škol, nemělo premiérovi zabránit, aby ke svému kulatému stolu přišel. Ale nevzdávám se naděje, že si uvědomí, že udělal chybu.:54Radek VostrýJe tedy atom ještě stále podobný kouli s jádrem, nebo je tento model „přežitý“?12:27Jiří ChýlaZáleží na tom, na jakém úrovni svůj výrok chápete. Přesně to tak není, ale v jistém, velmi hrubém přiblížení to stále lze říci. Jen si musíte uvědomit, že zákony, jimiž se řídí „oběh“ elektronů kolem járda jsou klasicky nepochopitelné. To, co mám na mysli, je starý dobrý Bohrův model atomu.:18Karolína JanišováMůže člověk svým myšlením (vědomím) ovlivnit tzv. superpozici předměrů kolem nás?12:29Jiří ChýlaV tom smyslu, že byste Vy působením svého „myšlení“ ovlivnila to, jak já budu onu superpozici pozorovat, ne.:29M. ImrichPane profesore, co Vás osobně nejvíce na současných nových teoriích, ale i objevech, nadchlo? Čemu se momentálně nejvíce věnujete? Co, řekněme „převratného“, zvešlo doposud z CERNU? Jsou podle vás nejnovější poznatky vědy dávkovány veřejnosti dostatečně, kvalitně, fundovaně… ?12:46Jiří ChýlaJe toho hodně, nejvíce mne v poslední době oslovily nové myšlenky, jak sjednotit gravitaci s ostatními silami, které se v principu neopírají o teorii strun, ale o existenci extra prostorových rozměrů. Důležité pro mne je také to, že aspoň některé z těchto myšlenek bude možné v brzké budoucnosti prověřit na urychlovači LHC v CERN. Z CERNu vzešla řada skutečně zásadních objevů, z nichž nejdůležitější byl objev tzv. intermediálních vektorových boson W a Z v roce 1983, za nějž byla hned násleujicí rok udělena Rubbiovi a Van der Meerovi Nobelova cena. O informování veřejnosti o nejnovejších poznatcích vědy se snažíme, ale určitě v tom máme ještě velké rezervy.:50Štefan BrenčíkZnamená to, že Einsteinovy závěry, výpočty a hlavně jeho teorie jsou již zcela mylné? Měl tedy Lemai´tre pravdu?12:35Jiří ChýlaLemaitre měl bezpochyby ve všech svých sporech s Einsteinem ohledně modelu vývoje vesmíru pravdu. Byl to skutečně génius, který daleko předběhl dobu. Bohužel jeho role není doceněna a řada jeho zásadních výsledků je připisována jiným. Například rozpínání vesmíru Hubbleovi, i když s ním přišel Lemaitre o dva roky dříve a Hubble mu ve skutečností nikdy nevěřil.