Výše citované odstavce jsou z úvodní části článku Evropští vědci chtějí nový, větší a modernější urychlovač částic, jenž se objevil v úterý 26. 7. na serveru www.ceskenoviny.cz. Prakticky stejné výroky o důvodech, proč fyzikové chtějí vybudovat zmíněný nový urychlovač i o jeho ceně a rozměrech, pronesl téhož dne večer v Událostech a komentářích na ČT24 Jakub Železný a jsou i v jinak dobře napsaném článku na serveru technet.idnes.cz. Ve skutečnosti ani jedna z uvedených informací není pravdivá a čtenář či divák tak může získat neopodstatněný dojem, že ti fyzikové jsou hrozně nenasytní.
Důvěřuj, ale prověřuj
Nejdříve k tvrzení o ceně a velikosti onoho Mezinárodního lineárního srážeče (ILC) elektronů a pozitronů. Ten nemá stát 10 miliard Euro, ale polovičku, přesněji 5,25 miliard Euro. A jeho plánovaná délka není 50 kilometrů, ale jen 31. Čtenář se může o správnosti mých tvrzeních přesvědčit na desáté stránce prezentace Briana Fostera, koordinátora evropské účasti v projektu ILC. Podotýkám, že cena ILC je standardně uváděna v jednotce ILCU („ILC unit“), jež je rovna hodnotě amerického dolaru v roce 2007. Přepočteme-li USD2007 na USD2010 a podělíme dnešním kurzem EUR/USD dostaneme zmíněných 5,25 miliard EUR.
Pro úplnost ještě připomínám, že cena ILC zahrnuje nejen samotný urychlovač, ale také veškerou infrastrukturu, kterou bude pro ILC třeba vybudovat. Jinými slovy za oněch 5,25 miliard Euro by byl ILC postaven na zelené louce. Další prostředky bude třeba pro stavbu detektorů, ale na ně se budou skládat stovky laboratoří z celého světa.
V zprávě známé agentury Associated Press na Yahoo News je kromě chybných údajů o ceně a velikosti ILC uveden dokonce i nesprávný údaj (10 miliardy amerických dolarů) o ceně LHC. Správné číslo je přitom 3 miliardy Euro, což při dnešním kurzu odpovídá ani ne 4 miliardám dolarů. Všechna tři chybná čísla (ceny LHC a ILC a velikost ILC) jsou i v zprávě Foxnews a mnoha, mnoha dalších po celém světě. Jsou však i světlé výjimky. Správná čísla uvádí například na fyziku orientovaný server www.physorg.com. Je zajímavé, že pokud jde o cenu LHC, je správné číslo i v citovaném článku na serveru www.ceskenoviny.cz.
Čtenář se přirozeně otáže, odkud čerpalo tolik médií a webových portálů výrazně nesprávná čísla týkající se základních parametrů ILC i LHC. Pokud jde o délku, je odpověď jednoduchá i když ne příliš konkrétní. Nevím, kdo první v anglosaské blogosféře z nepozornosti zaměnil kilometry za míle a kdo první 31 mil správně přepočítal na 50 kilometrů, ale tak tomu určitě bylo. Pokud jde o cenu je odpověď naopak velmi konkrétní, ale zarážející. Původcem výroku o nesprávných 10 miliard Euro jako ceně ILC je Guy Wormser, ředitel francouzské laboratoře LAL v Orsay a jeden z hlavních advokátů ILC, jenž ho pronesl v rozhovoru, jenž je součástí zprávy o konferenci v Paříži na webové stránce britské ITN.
Jak mohl takovou pitomost říct právě on, nechápu, ale chápu, že jeho tvrzení bez nejmenšího podezření převzala téměř všechna média. A nemohu se ani divit, že se neřídila známým příslovím „důvěřuj, ale prověřuj“ i když právě v tomto případě by to bylo velmi užitečné. V článku na serveru www.ceskenoviny.cz se dále konstatuje:
Ve francouzské metropoli by dnes měly být zveřejněny výsledky z poslední fáze pokusů, při nichž byly simulovány podmínky, za nichž vznikal po velkém třesku před téměř 14 miliardami let vesmír.
Jak jsem již upozornil ve svém blogu, na LHC dochází a ještě nějakou dobu bude docházet ke srážkám protonů a v nich podmínky blízké stavu vesmíru krátce po velkém třesku vznikat nemohou. K tomu bude třeba srážet jádra olova, k nimž dojde poprvé na podzim tohoto roku.
Kdo chvíli stál, již stojí opodál
A nyní pár slov k tvrzení, že „vědci požadují vybudování ještě většího a modernějšího urychlovače“. Chtěl bych čtenáře ujistit, že fyzikové elementárních části si dobře uvědomují, že cena, i ta správná, je vysoká a že vůbec není samozřejmé, že se podaří veřejnost přesvědčit, že vybudování takového zařízení má z různých důvodů smysl. Proto ho „nepožadujeme“, ale jen si ho přejeme. Mezinárodní výbor, který projekt připravuje a jehož členem za Evropu je i Brian Foster, se také snaží snížit cenu ILC, jak to jen jde. Proto již není aktuální obrázek v již citovaném článku, jenž ukazuje dva tunely, ale bylo rozhodnuto, jak je patrné z prezentace Briana Fostera, vše umístit do jednoho tunelu. Je také jasné, že pokud se nakonec na projekt seženou peníze, půjde o zařízení, které bude mít charakter mezinárodní organizace, podobně jako například projekt fůzního reaktoru ITER.
Čtenář se také možná pozastavuje nad skutečností, že vědci mluví o novém urychlovači jen pár týdnů po spuštění toho nejnovějšího obra, LHC, a dříve než bylo dosaženo jeho plánovaných parametrů. Zde je třeba si uvědomit, že plánování takových velkých zařízení je běh na dlouhou trať a že od prvních úvah k hotovému projektu uplyne typicky deset let a dalších zhruba deset let trvá jejich stavba. Stavba urychlovače LHC byla schválena na začátku roku 1995 a o jeho potřebnosti se začalo diskutovat koncem 80. let, kdy se blížilo dokončení urychlovače LEP (byl spuštěn v létě 1989), pro nějž byl postaven tunel, v němž je dnes LHC. Praxe, že o novém urychlovači se začíná vážně uvažovat v okamžiku, kdy je ten poslední dokončen, je běžná a proto ani příprava projektu urychlovače ILC není předčasná a není výrazem nenasytnosti fyziků.
Co víme a co si domýšlíme
Nepíši tento článek jen proto, abych opravil tři čísla, byť jde o čísla důležitá a opravu nutnou, ale především v souvislosti s okolnostmi, za nichž se v médiích objevila. Hlavním popudem pro tak velký zájem světových i našich médií o urychlovač LHC a projekt urychlovače ILC byla velká mezinárodní konference o fyzice elementárních částic v Paříži, na jejímž začátku vystoupil s poměrně dlouhým a zajímavým projevem (jehož anglický překlad je zde) prezident Sarkozy.
Na této konferenci byla přednesena řada příspěvků o stavu spouštění urychlovače LHC a zpracování prvních dat. Těch je zatím ještě málo a žádný objev proto nebylo možno očekávat. Nabraná data jsou srovnávána s předpověďmi tzv. Standardního modelu, což je teoretický rámec shrnující všechny současné poznatky o mikrosvětě. Tento rámec byl v hlavních rysech formulován již v druhé polovině 70. let a od té doby se fyzikové hledají jevy, které jsou s ním neslučitelné. Zatím bezvýsledně, ale právě to podnítilo řadu teoretických spekulací, jak by fyzika „za standardním modelem" mohla vypadat. Sem patří takové exotické pojmy jako jsou Higgsův boson, supersymetrické částice, struny či extra prostorové dimenze. A právě po nich mají LHC i ILC pátrat.
Štěstí přeje připraveným
Detektory, které začínají zpracovávat dat ze srážek na LHC, byly vyvinuty za účelem hledání nových jevů a částic, zmíněných v předchozím odstavci. To pochopitelně ovlivnilo jejich konstrukci a ovlivňuje i způsob zpracování nabraných dat. Na neočekávané se ovšem připravit nelze, ale i ve vědě se mnohokrát prokázalo, že štěstí přeje připraveným. Jeden krásný příklad za všechny. Počátkem 80. let postavila skupina japonských fyziků vedená Masatoshi Koshibou ve starém dole na zinek Kamioka 1000 metrů pod zemí velký vodní detektor, zvaný Kamiokande, jenž obsahoval 3000 tun velmi čisté vody. Počátkem 90. let byl ve stejném dole vybudován ještě větší detektor, zvaný Superkamiokande, jenž je v provozu dodnes a jenž obsahuje 55 000 tun superčisté vody sledované 11 000 fotonásobiči umístěných na obvodu válcovité nádrže. Původním cílem experimentu bylo prověřit základní předpověď teorií velkého sjednocení: nestabilitu protonu.
Od spuštění v roce 1983 dodnes Koshibovy detektory žádný rozpad protonu nezaznamenaly, ale 23. února 1987 zaznamenal detektor Kamiokande během 13 vteřin naprosto neočekávaný shluk 11 srážek neutrin, jež, jak se později ukázalo, předcházely o 3 hodiny optický signál vyvolaný výbuchem supernovy SN1987A. Pro pochopení mechanismu výbuchu supernovy neocenitelná informace.
Detektory Kamiokande a Superkamiokande také zachytily a podrobně proměřily tok slunečních neutrin, jež přinášejí svědectví o procesu spalování vodíku na hélium ve středu Slunce. Díky tomu (i dalším experimentům a teoretickým výpočtům) dobře rozumíme, jak svítí sluníčko a také víme, že neutrina mají nenulovou klidovou hmotnost. Za tyto výsledky dostal (spolu s Raymondem Davisem) Koshiba v roce 2002 Nobelovu cenu za fyziku.
Pes - zatím - nezaštěkal
V září roku 1978, skoro přesně rok před tím, než mu byla udělena Nobelova cena za fyziku za příspěvek k vybudování právě již zmíněného Standardního modelu, prohlásil Sheldon Glashow na adresu jeho dalšího rozvoje tato slova:
Nikdo nepochybuje o správnosti hlavních předpovědí standardního modelu….. Bylo by ale arogantní a ignorovali bychom historii, kdybychom věřili, že naše naivní extrapolace z fyziky při 2 GeV do fyziky při 200 GeV bude správná v detailech. To je nejjednodušší a nejméně pravděpodobná možnost. Zda si jí příroda vybrala nebo ne, ukáží definitivně právě experimenty na urychlovači LEP.
Toto očekávání vyslovil na pracovním setkání fyziků věnovaném přípravě projektu urychlovače LEP v CERN, o němž jsem se již zmínil. Za nejpravděpodobnější přitom Glashow považoval naopak ten nejméně konvenční scénář (který zde nebudu popisovat), ale sám přitom zdůraznil, jak těžké je předvídat překvapení: Jsem pevně přesvědčen, že si prostě nedokážeme představit, jaká překvapení nám LEP přinese.
V létě 1988, krátce před spuštěním LEP, charakterizoval Don Perkins na hlavní mezinárodní konferenci fyziky částic skutečnost, že Standardní model proti všem očekáváním „vydržel“ dalších deset let slovy:
Mám-li shrnout tuto konferenci jednou větou, nejvýznamnějším výsledkem je skutečnost, že přes všechna očekávání a navzdory obrovskému úsilí najít nějaký rozpor s jeho předpověďmi, Standardní model vydržel téměř netknut další rok a je dnes již 15 let stár, což je skoro zázrak.
A o další třináct let později, krátce po ukončení provozu urychlovače LEP si Wilbur Venus ve vystoupení na konferenci Evropské fyzikální společnosti pro vystižení situace, v níž se tehdy fyzika nacházela pomohl citací z příběhu Silver Blaze Arthura Conana Doyleho. V něm se inspektor Gregory ptá Sherlocka Holmese „Na co mne chcete upozornit?" a ten mu odpoví „Na kuriózní chování psa v noci". Na inspektorovu námitku „Ale ten pes v noci nic neudělal", Holmes odvětil „A PRÁVĚ TO je zvláštní!" Přeneseno do fyziky: co nám říká skutečnost, že Glashowův „nejméně pravděpodobný scénář" je správný dodnes?
Čekání nejen na Godota
Velká většina fyziků ale doufá, že nebude dlouho trvat a na LHC „pes zaštěká". Občas se dokonce někomu zdá, že slyší vzdálený štěkot již teď. V rukou novinářů se pak z náznaků něčeho nového snadno stává objev prvořadé důležitosti. Přepište učebnice. Vědci našli důkaz asymetrie mezi hmotou a antihmotou hlásá například titulek jinak dobře napsaného článku na serveru technet.idnes.cz v němž se čtenář dozví, že
Fyzici z experimentu DZero potvrdili, že pozorovali významné narušení symetrie mezi hmotou a antihmotou. Objevenou asymetrii žádná současná teorie neumí vysvětlit. Zdá se, že stojíme na prahu nové fyziky.
Experimentu DZero, jenž zkoumá srážky antiprotonů s protony na urychlovači Tevatron u Chicaga, se účastní asi pět set fyziků z 19 zemí včetně vědců z Univerzity Karlovy, Českého vysokého učení technického a Akademie věd České republiky. Zmíněná asymetrie je klíčová pro pochopení převahy hmoty nad antihmotou ve vesmíru. Standardní model ji předpovídá, ale pozorovaný rozdíl je o dost větší. Stojíme tedy opravdu na prahu „nové fyziky?" a nebo jak už se stalo tolikrát v minulosti, zmíněný efekt nakonec zmizí při přesnějším měření?
Bombastický je i titulek článku v týdeníku Týden Fyzikové v šoku: Proton je o 0,00000000000003 mm menší, v němž jsou čtenáři informováni o nových výsledcích měření poloměru protonu provedených v Institutu Paula Scherrera ve Švýcarsku.
Nejnovější měření naznačuje, že proton je o čtyři procenta menší, než se fyzikové dosud domnívali. Zdánlivě nepatrný rozdíl bude mít značné důsledky pro celou částicovou fyziku. Pokud se ovšem neukáže, že jde o omyl.
Rád bych čtenáře ujistil, že fyzikové v šoku z uvedeného výsledku nejsou. I v tomto případě bude třeba další nezávislá měření i teoretické studie, abychom pochopili podstatu pozorovaného rozdílu. Právě proto se naděje fyziků celého světa tolik upínají k experimentům, které probíhají, resp. budou probíhat na urychlovači LHC, neboť jde-li opravdu o projev „nové fyziky“, musí se tato nová fyzika projevit daleko výrazněji právě v experimentech na LHC.
A co když už tu někde Godot je?
A pak je tu ještě jedna možnost, která sice na první pohled vypadá jako fantasmagorie, ale která má precedens ve formulaci kvantové teorie, jednom ze dvou pilířů moderní fyziky. Okolnosti, jež vedly na přelomu 19. a 20. století ke vzniku kvantové teorie, bývají překrouceny, a to nejen v populárních knížkách, mnohdy až k nepoznání. Klikatá, ale vzrušující cesta ke kvantové teorii, provázená řadou omylů a nepochopení je obvykle nahrazována pohádkou, která se sice dobře poslouchá, ale se skutečností nemá nic společného. Tak je tomu například v knize Briana Greenea Elegantní vesmír, v níž jsou důvody vedoucí k formulaci kvantové teorii líčeny slovy:
Na začátku 20. století fyzikové spočítali celkovou energii elektromagnetického záření uvnitř dutiny dané teploty. Použitím osvědčených výpočetních metod došli ke směšnému závěru: pro každou teplotu je celková energie uvnitř dutiny nekonečná. Všem bylo jasné, že to byl nesmysl – v horké dutině může být hodně energie, ale jistě ne nekonečno.
Ve skutečnosti nic nemůže být vzdálenější pravdě, proč a jak se myšlenka, že energie je „kvantovaná“, zrodila a kdo k ní přispěl, než právě uvedený citát. Ve skutečnosti cesta ke kvantové teorii začala zcela nepozorovaně v červenci 1896, kdy Wilhelm Wien odvodil vycházeje z myšlenek Boltzmanovy statistické fyziky a předpokladu, že pohybující se atomy emitují záření o frekvenci, jež je funkcí jejich rychlosti, tvar funkce popisující závislost hustoty energie vyzařované absolutně černým tělesem na teplotě. Tento jeho zákon byl prakticky okamžitě potvrzen prvními dostatečně přesnými měřeními a stal se na 4 roky nedílnou součástí výzbroje tehdejší klasické teoretické fyziky.
Přitom tento zákon představuje krásnou ilustraci toho, jak lze chybným způsobem dospět ke správnému výsledku. Z dnešního hlediska se jeví Wienovy předpoklady nesmyslné, ale pro další vývoj bylo podstatné, že vedly ke shodě s experimentem. Navíc, a to je mimořádně zajímavé a hluboce ironické, ačkoliv Wien svůj zákon odvodil v rámci klasické fyziky, jevy, které správně popisoval, byly ve své podstatě neklasické. Až do konce roku 1900 nikdo netušil, že spektrální hustota záření absolutně černého tělesa, kterou tak dobře popisoval Wienův zákon, v sobě skrývá kvantovou fyziku! A teprve tehdy, když se objevily náznaky, že Wienova formule nesouhlasí s daty pro velké vlnové délky elektromagnetického záření, přišel Planck s ryze fenomenologickou formulí, jež se dnes nazývá Planckův zákon. Co je ovšem podstatné je skutečnost, že pozorovaný nesouhlas nebyl projevem „nové“ fyziky, ale naopak „staré“ klasické fyziky, neboť kvantová fyzika je důležitá oblast pro malých vlnových délek, kterou dobře popisuje Wienův zákon! Pokud čtenáře zajímá tento příběh hlouběji, najde podrobnosti zde.
Takže možná, že některé jevy, o kterých si myslíme, že jim rozumíme v rámci Standardního modelu, jsou ve skutečnosti již projevy „nové fyziky", jen to netušíme. Upřímně řečeno, nedovedu si představit, že se něco podobného odehrává kolem nás i dnes, ale jak říká Glashow, překvapeni se těžko předvídají. Uvidíme… Doufám, že již brzy na LHC.
