nevíte, co to je, vy, kteří to držíte ve svých rukou. Atomy? Ano, věci jsou z atomů. A každý atom je jádro obíhající elektrony. Každé jádro je postaveno z protonů. Každý proton je – ale tam se dostanete na konec linky. Uvnitř protonu leží hluboká, znepokojující pravda: věci jsou vyrobeny z ničeho, nebo téměř nic, drženy pohromadě lepidlem, spoustou lepidla. Fyzici to poprvé začali podezřívat v roce 1973. V poslední době to bylo prokázáno experimentem.

CERN Foto

Frank Wilczek byl 21-letý postgraduální student na Univerzitě v Princetonu, když hehelped rozvíjet tuto teorii proton v roce 1973. Sám tomu zpočátku moc nerozuměl, jen sledoval, kam ho matematika dovedla. „Udělali jsme výpočty, ale neměli jsme jednoduché intuitivní porozumění,“ říká Wilczek. „Fyzický obraz přišel později.“Ten obrázek chvíli trvalo, než se fyzici vstřebali, protože to opravdu není jednoduché. Dokonce i dnes, když požádáte fyzika, aby popsal proton, nejprve získáte kreslenou verzi—tu, která říká, že proton je vyroben jednoduše ze tří menších částic zvaných kvarky. Tento popis není úplně falešný—je to jen nízké rozlišení. Je pravda, že obraz Times Square z 30,000 stop daleko je pravdivý. Detailní realita, kterou Wilczek a jeho kolegové už dávno zahlédli, je mnohem šílenější a podivnější.

proton je tvořen třemi kvarky, Ano, ale kvarky jsou nekonečně malé-jen 2 procenta celkové hmotnosti protonu. Jsou chrastící kolem na blízké rychlosti světla uvnitř protonu, ale jsou uvězněni v mihotavém mraky jiných částic—ostatní kvarky, které se projeví krátce a pak zmizí, a především, gluony, které přenášejí sílu, která váže kvarky dohromady. Gluony jsou bezhlučné a evanescentní, ale nesou většinu energie protonu. Proto je přesnější říci, že protony jsou vyrobeny spíše z gluonů než kvarků. Protony jsou malé kuličky lepidla-ale i tento obrázek vyjadřuje něco příliš statického a podstatného. Vše je tok a praskající energie uvnitř protonu; je to jako nekonečná bouřka v láhvi, láhev méně než.1 biliontina palce v průměru. „Je to velmi bohatá, dynamická struktura,“ říká Wilczek. „A je velmi příjemné, že máme teorii, která ji dokáže reprodukovat.“

zvláště pokud jste náhodou jedním z těch, kteří vynalezli teorii, a pokud je o více než dvě desetiletí později tato teorie skutečně ověřena experimentem. Na urychlovači částic zvaném HERA v německém Hamburku fyzici posledních osm let vypalují elektrony do protonů a ukazují, jak nepodstatné jsou kvarky uvnitř. Mezitím další experimenty s urychlovačem mohou brzy odhalit, jak vesmír shromáždil všechny své protony. V únoru, fyzikové v CERNU, Evropské Laboratoři pro Fyziku Částic mimo Ženevě oznámil „přesvědčivé důkazy“, že by se podařilo tání velkého množství protonů, vytváří pro okamžité druh kvark-gluonové plazma, které poslední existovaly mikrosekundu po Velkém Třesku. Všechny protony kolem teď ztuhly z té polévky. V Brookhaven National Laboratory na Long Islandu v New Yorku, nový a výkonnější urychlovač je stále nastaven k vaření kvark-gluonové polévky na denní bázi letos v létě. Příští rok fyziky může mít mnohem lepší představu o tom, jak vesmír vypadal, když byl milionkrát hezčí než na povrchu slunce, a kvarky a gluony—dosud uvězněny uvnitř protonů uvnitř jádra, uvnitř atomů, uvnitř nás—mohl hrát volně v kvantové pole.

kvantová chromodynamika nebo QCD, teorie, kterou Wilczek a jeho kolegové vynalezli, je typem kvantové teorie pole a kvantová teorie pole pro začátečníky jde něco takového. Za prvé, E=mc2, jak objevil Einstein. To znamená, že energie může být přeměněna na hmotu a naopak. Druhý, prázdný prostor není prázdný: to, Co nazýváme vakuum je ve skutečnosti překypuje všemi druhy energetických polí, a energie se neustále projevuje jako „virtuální“ částice, které pop do existence, a pak zmizí zase v něco méně než triliontinu nanosekund. „Nebylo by pro nás příliš užitečné vidět tuto strukturu vakua,“ říká Wilczek, který je nyní profesorem Institutu pro pokročilé studium na Princetonu, kde žije v Einsteinově starém domě. „Nepomohlo by nám to vyhnout se šavlozubým tygrům nebo vychovávat naše děti, takže nás evoluce naučila ignorovat to. Ale je to tam.“

třetí (a poslední v naší teorii pole), když dvě subatomární částice působí na sebe silou, interagují prostřednictvím jednoho z těchto energetických polí, které samy pomáhají vytvářet. Konkrétně si vyměňují jednu z těchto virtuálních částic-kvantum kvantového pole. Například elektron má elektrický náboj -1 a tento náboj generuje elektrické pole. Pokud se elektron pohybuje, jako vždy-točí se na své ose a obíhá kolem atomového jádra-generuje také magnetické pole; všechna magnetická pole jsou nakonec vytvořena pohybem elektrických nábojů. Když dvě nabité částice interagují-když, řekněme, elektron je rozptýlen z protonu v HERA-vyměňují si virtuální foton, kvantum elektromagnetického pole. Teorie, která popisuje takové interakce, vynalezená mimo jiné Richardem Feynmanem, se nazývá kvantová elektrodynamika nebo QED.

V QED každý jednotlivý elektron je obklopen oblaku krátkodobé virtuální částice—fotony, ale také další elektrony spárované s pozitrony, jejich kladně nabité antihmoty dvojčata. Tyto rojící se páry částic tvoří obrazovku, která částečně ruší elektronové pole-alespoň tak, jak je vidět z vnějšku obrazovky. Zevnitř obrazovky se naopak pole jeví silnější, než byste očekávali, jako holá žárovka, jakmile bude odstraněn stín lampy. „OK, tak to je screening, a to je docela snadné pochopit,“ říká Wilczek. „Co se děje v QCD, uvnitř protonu, je právě naopak: je to antiscreening. Bylo to překvapení i pro nás, takže to nemůže být příliš jednoduché. Ale v průběhu let jsme to pochopili elementárněji.“

Na začátku roku 1970, kdy Wilczek jeho průkopnickou práci, byl opojný čas pro částicové fyziky. Jejich vzduch je poněkud odlišný od toho, co dýcháme my ostatní, a QCD byl v něm. O několik let dříve, výzkumníci na Stanford Linear Accelerator Center se poprvé urychlovány elektrony na energie dostatečně vysoká, aby proniknout protonů. Zdálo se, že elektrony se vrhají do kaše; zdálo se, že se odrážejí od špičatých nugetů uvnitř protonů. Kvarky, které byly postuloval v roce 1964 jako čistě matematické entity, začalo zdát, jako by se opravdu existují uvnitř protonů—a otázka, jak to celé držela pohromadě stala naléhavou a vzrušující. Zatímco Wilczek a jeho poradce, David Gross, bylo zjištění, odpověď na Princetonu, další postgraduální student jménem David Politzer bylo zjištění, že nezávisle na Harvardu. Gross byl starcem Trojice v 31. „Bylo štěstí, že jsme byli tak mladí,“ napsal později, „když jsme se mohli projít po nově otevřené pláže a vyzvednout mnoho krásných mušlí, které experiment odhalil.“

jedna skořápka byla cizí než ostatní. Stanford experimenty se zdálo, že ukazují, že síla mezi kvarky—známá jako silná síla—ve skutečnosti má slabší jako kvarky dostal blíže k sobě. To bylo velmi zvláštní. Síly, se kterými se denně setkáváme, elektromagnetismus a gravitace, působí opačným způsobem: jsou silnější na krátké vzdálenosti od svého zdroje a slabší na dlouhých. To je intuitivní způsob; tak by to mělo být. V opačném případě, například, magnety by odletět lednička lpět na vzdálené svůdné kamna—kromě toho, že z dálky lednici by začít vypadat dobře, aby je znovu. A přesto, slabá jako silná síla byla na velmi krátkých vzdálenostech, byla dostatečně silná na delších, aby zmařila fyziky, kteří se tvrdě snažili a nedokázali vytáhnout kvark z protonu. Nikoho se nepodařilo pozorovat izolovaně.

Wilczek a Gross šli hledat kvantovou teorii pole, která by mohla vysvětlit takovou sílu. Gross čekal, že neuspějí; chtěl dokázat, že teorie pole je slepá ulička. Ale jeden druh matematického formalismu, nazvaný non-Abelian gauge teorie, ještě nebyl vyzkoušen. Wilczek strávil půl roku náplň notebook s výpočty, jak částice interagují prostřednictvím non-Abelovská kvantové pole. Na konci měl sílu, která zesílila v těsné blízkosti, jak by měla dobrá síla, jak Gross očekával-ale na rozdíl od toho, co bylo měřeno na Stanfordu. Wilczek znovu a znovu kontroloval zdlouhavé výpočty. Pak Gross spatřil v polní rovnici jediné znaménko plus, které mělo být mínus. Tato změna znamení změnila všechno: QCD se narodil.

Uvnitř protonu, podle QCD, jsou kvarky „asymptoticky volné,“ jako Stanford výsledky naznačily, což znamená, že se pohybují téměř jako kdyby tam byl žádná síla mezi nimi. Ale svoboda je iluze: kvark nikdy nemůže uniknout svým partnerům. Jak se vzdálenost mezi nimi zvětšuje, zvyšuje se i síla, a tak je nevyhnutelně zadržen vzpurný kvark, jako bungee jumper. To je důvod, proč nikdo nikdy neviděl nebo nikdy neuvidí osamělý kvark, který, když se nad tím zamyslíte, je hluboce divný. „Proton má části, ale nemůže být rozebrán,“ říká Alvaro de Rújula, teoretický fyzik v CERNu. „V ruce můžete držet elektron. Nemůžete držet kvark nebo gluon v ruce.“

podivnost pochází z gluonů. Kvantová chromodynamika, síla, která drží protony pohromadě, je modelována úzce na kvantové elektrodynamice, síla, která drží atomy pohromadě—ale gluony změnit screening antiscreening, intuitivní bizarní. V kvantové chromodynamiky, kvarky nesou nový druh náboje jménem barevný—který nemá nic společného s běžnou barvu—a ty poplatky generovat pole barvy (odtud název chromodynamika). Kvantum pole a vysílač silné síly je gluon. Stejně jako foton, který přenáší elektromagnetickou sílu, je gluon bez hmoty. Ale na rozdíl od fotonu je gluon nabitý. Vytváří své vlastní barevné pole, vyvíjí svou vlastní silnou sílu a ineraktuje s jinými gluony. Vede bohatý život.

barevné pole, stejně jako elektromagnetické, lze považovat za dvě složky-nazýváme je barevně elektrickými a barevně magnetickými. Rychle se pohybující barevný náboj-gluony se pohybují rychlostí světla-vytváří silné barevné magnetické pole. Gluony jsou tedy jako malé dipólové magnety. Ty gluony, které obklopují kvarky samy paralelně k jeho barva oblasti, jako magnety, a tak místo aby ho to oslabilo, jako virtuální částice elektron je pole, které posílí. Protiskluzují kvark a zesilují jeho pole. Zde analogie lampy již nefunguje—kvark je tlumená žárovka, která se nějak stává jasnější mimo stín.

to je to, co drží proton pohromadě, a to mu dává bizarní vnitřní strukturu. Pokud se jednomu kvarku podaří dostat se do gluonového mraku jiného, cítí to jen slabou přitažlivost. Ale dál to půjde, tím více se cítí přidáno vytáhnout gluonů—gluony vyzařované kvarky, gluony vyzařované další gluony, gluony, které zhmotní do virtuální kvark-antiquark páry, které si vyměňují více gluonů. „Kvarky spouštějí celou věc, ale jakmile to začne, je to velmi silný proces, protože gluony interagují,“ říká Wilczek. „Je to jakýsi uprchlý proces.“

v roce 1974 de Rújula, Politzer, Wilczek a několik dalších fyziků navrhli tuto gluonizaci protonu a navrhli, jak by se jednoho dne mohla měřit. O dvě desetiletí později, vědci v HERA začali dělat právě to. HERA je urychlovač ve tvaru prstence, téměř čtyři míle kolem, ve kterém elektrony dělají 47,000 kola za sekundu jsou rozděleny do protonů jít opačným směrem. Čím větší je energie srážky, tím hlouběji může elektron proniknout do protonu, než bude vychýlen. Měřením toho, jak je elektron vychýlen v milionech kolizí, mohou fyzici shromažďovat informace o vnitřních součástech, které se odchylují. Je to jako vyfotit uvnitř protonu, Wilczek říká, pixel po pixelu—a výsledky se vešly návrh on a jeho kolegové přišli před desítkami let.

„jen na té nejhrubší úrovni se proton skládá ze tří kvarků,“ říká Wilczek. „Když se podíváte zblízka a dostanete se do těchto mraků a začnete vidět základní strukturu, uvidíte, že je to většinou lepidlo.“

o to zajímavější je otázka, jak se vůbec vesmíru podařilo něco takového navrhnout.

navštívit částicové fyziky laboratoř je zasažen rozdíl v měřítku—mezi nejmenšími objekty zkoumané a obrovitost zdrojů—lidé, stroje, výpočetní výkon, elektrické energie, prostor, peníze—které jsou věnovány. (Pokud to infrastruktura vypadá vysokou cenu zaplatit za informace o původu vesmíru, za to, že Web—navržen tak, aby pomoci vědci komunikovat obrovské datové soubory—je CERN nápadem.) CERN spotřebuje téměř tolik elektřiny jako město Ženeva, jeho soused. Největší urychlovač CERN, velký elektron-pozitronový urychlovač, zabírá Kruhový tunel 17 mil kolem. V příštích letech to bude demontován a nahrazen ještě výkonnější urychlovač, Lhc, který bude znovu vytvořit energii, která existovala biliontiny sekundy po Velkém Třesku. (Hadrony jsou jaderné částice, jako protony, které jsou tvořeny kvarky a gluony.) Chcete-li vytvořit kvark-gluonovou plazmu, nemusíte jít tak daleko zpět v čase-udělá to první mikrosekunda—takže potřebujete méně výkonný akcelerátor.

přesto je super protonový Synchrotron v CERNu více než čtyři míle kolem. Je umístěn v tunelu, který leží 300 stop pod zemí, a v tomto tunelu, uvnitř hliníkové trubice široké jen několik palců, jsou jádra olova urychlena magnety na 99,9 procenta rychlosti světla. Poté jsou vedeni na povrch a do obrovské, tovární haly, 300 metrů dlouhé. Hliníkové trubky vidlice do různých detektorů, kde vést jader—každý z nich se skládá z 208 protony a neutrony elektricky neutrální dvojčata protonů—rozbít do kusu olova fólii, která je jen několik set mikrometrů silné.

co se bude dít dál, je teoreticky jednoduché: Kolize vytváří ohnivou kouli dostatečně intenzivní, aby roztavila protony a neutrony. Kvarky a gluony volně cirkulují, stejně jako hluboko uvnitř protonu, ale nyní přes oblast, která je široká mnoha protony, tvořící kvark-gluonovou plazmu. „Pokud se vám spustit film the Big Bang dozadu, je hustší a hustší, teplejší a teplejší,“ říká Reinhard Skladem na Univerzitě ve Frankfurtu, který pomohl navrhnout jeden z CERNU detektory, „a my víme, že všechny vázané struktury rozbít, když jejich hustota energie vyšší než jejich vazebná energie.“Kvantová chromodynamika vyžaduje, aby kvark-gluonová plazma existovala při určité hustotě energie,“ ale musíte prokázat, že existuje, “ říká Stock. „A proto jsme tu posledních 15 let.“

problém je v tom, že laboratorní ohnivá koule se rychle rozšiřuje a rychle ochlazuje, stejně jako prvotní. Plazma přežívá pouze 10-22 sekund, než kvarky a gluony znovu kondenzují na protony a další hadrony. Fyzici skutečně detekují sprej tisíců takových částic vycházejících ze zadní části olověné fólie. Skladem je detektor, a částice, pak se podívejte po místnosti-velké krabici plyn argon, klepání elektrony z argonu atomy. Čítače zaznamenávají elektrony a počítače rekonstruují stopy částic, které odhalují jejich identitu. Jakmile fyzici analyzují záplavu dat-Každá kolize přináší 10 megabajtů dat a Stock a jeho kolegové zaznamenali miliony kolizí-mohou se dozvědět něco o ohnivé kouli produkující plazmu.

v posledních několika letech, Akcie detektory a další v CERN potvrdili, že ohnivé koule jsou dost horké a husté dost, k produkci kvark-gluonové plazma. Našli přebytek částic obsahující „divné“ kvarky a nedostatku, které obsahují „kouzlo“—z nichž oba jsou vedlejší účinky předpovídal kvantové chromodynamiky. (Podivné kvarky a šarm kvarky jsou exotické druhy, které se v běžných částicích nenacházejí.) To vše představuje silný případ, že CERN vytvářel kvark-gluonovou plazmu – ale neznamená to důkaz. „Problém je, že to nebyli schopni pozorovat přímo,“ říká Tom Ludlam, fyzik z Brookhaven National Laboratory.

Brookhaven je Relativistic Heavy Ion Collider, který je naplánován začít dělat fyziku letos v létě, se srazí jader zlata na 10 krát energy možné v CERNU a tak dosáhnout teploty, která umožní kvark-gluonové plazma přežít malou chvíli déle. Když se kvarky ochladí z bilionu stupňů, měly by emitovat tepelné záření ve formě fotonů gama záření. To je nejpřímější možný signál z kvark-gluonové plazmy a Brookhavenův urychlovač by ho měl být schopen detekovat. Můžete si to představit jako záblesk světla, který vesmír vyzařoval, když se narodily všechny jeho protony.

ani vědci z Brookhavenu nebudou schopni konečně odpovědět na otázku, odkud protony pocházejí. Ústřední tajemství zůstane. Uvnitř protonu, jak gluony přicházejí a odcházejí, jak kvarky a antikvarky přicházejí a odcházejí ve svých bezpočtových rojích, jedno číslo zůstává konstantní: vždy existují tři kvarky více než antikvarky. To jsou kvarky, které“ na té nejdrsnější úrovni“, jak říká Wilczek, tvoří proton. Proč jsou hmota a ne antihmota? Proč je vesmír tvořen hmotou a ne antihmotou? Odpověď přesahuje kvantovou chromodynamiku. Mírná nerovnováha mezi kvarky a antikvarky, pokud má Wilczek a další teoretici pravdu, byla již přítomna v pravěké kvark-gluonové plazmě. Pochopení jeho původu bude vyžadovat urychlovače, které dosáhnou ještě vyšších energií,jako je například velký hadronový urychlovač CERN. To bude vyžadovat nové druhy teorií—z nichž některé, bohužel, může požadovat, že jsme začali přemýšlet částic jako malé smyčky z provázku a vesmíru jako mají mnoho dalších rozměrů než čtyři, které známe a lásku.

jak se fyzika vyvíjí, obraz protonu, který nám kvantová chromodynamika dala, se může zdát uklidňující konkrétní a pevný – i když pevná látka je přesně to, co proton není. Letět do jednoho—pokud si to dokážete představit, jízda silnou silou v jakémsi subjaderném kluzáku-by bylo jako propadnout zemskou atmosférou. Horní atmosféra protonu je tenký cirrus virtuálních párů kvark-antikvark; tvoří štít pro to, co leží níže. Když kolem nich padáte, atmosféra je hustší a hustší, mraky silnější a silnější. Vaše letadlo je zasaženo s rostoucí frekvencí a silou záblesky barevného blesku-gluonů. A pak, možná čtyři pětiny cesty vaším sestupem, se vynoříte z oblačnosti. Jízda je teď klidnější. Blesky nezmizely, roztavily se na souvislý list a nějak se cítíte najednou peřísvětlo a imunní vůči všem silám. Nyní jste blízko středu protonu, naprosto uvězněni, když padáte k asymptotě naprosté svobody, a nacházíte . . . nic moc.

„čím blíže se podíváte, tím více zjistíte, že proton se rozpouští do mnoha částic, z nichž každá nese velmi, velmi málo energie,“ říká Wilczek. „A prvky reality, které spustily celou věc, kvarky, jsou tyto malé malé věci uprostřed oblaku. Ve skutečnosti, pokud budete sledovat vývoj na nekonečně krátké vzdálenosti, spouštěcí náboj klesne na nulu. Pokud opravdu studujete rovnice, je to téměř mystické.“