„Vesmír je spíše konečný,“ říká Tomáš Tyc

Běžně vzdělaný člověk vnímá otázky o podstatě hmoty či původu vesmíru většinou jako výsostně vědecké či filozofické téma. Těžko představitelné principy makro i mikrokosmu bere za automatické a málokdy je schopen si jenom představit komplikované fyzikální zákonitosti, na nichž stojí existence nám známého vesmíru. Pro profesora Tomáše Tyce z Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědné fakulty Masarykovy Univerzity jde však o denní chléb. Ve své výzkumné činnosti týkající se například teorii neviditelnosti nebo kvantovou optikou se stále pohybuje na hranici našeho poznání a snaží se ji posunout o kousek dál. O fotonech, struktuře hmoty i křesťanském stvoření světa hovořil Tomáš Tyc v pořadu Před půlnocí z 12. dubna s Janem Hanákem.

Dnes je tomu 50 let, co Jurij Gagarin vylétl jako první člověk do vesmíru. Jaký smysl má osahávat i vesmír mimo tuto planetu?
Smysl to má velký. Dozvídat se něco o světě kolem nás patří k lidské povaze. A vesmír je velice fascinující. Když se podíváme na noční oblohu, je úžasné, kolik je vidět hvězd, galaxií, planet. A tím, že se dozvídáme, jak funguje vesmír kolem nás, se dozvídáme také něco sami o sobě a o světě přímo tady na Zemi.

Jaký konkrétní smysl to má pro fyzika?
Pro fyziku má astronomie nebo astrofyzika velký význam, protože nám umožňuje dozvědět se něco o tom, jak vznikl náš svět a jak v něm věci fungují.

Video Před půlnocí
video

Před půlnocí

A už víme, jak vesmír vznikl?
Něco o tom již víme, ale rozhodně ne všechno. Všeobecně se má za to, že vesmír vznikl při takzvaném velkém třesku. Před tím byla hmota a vše, co existovalo, soustředěno do jakési singularity, do jediného bodu. (Nevíme ale, zda vůbec existoval čas nebo něco takového.) Tento bod se pak začal rozpínat a postupně vznikaly různé struktury, které se nakonec vyvinuly až do dnešní podoby.

Kde má vesmír hranice?
To se také úplně přesně neví. Zdá se, že vesmír je spíše konečný. Kdyby byl nekonečně veliký a byl by zaplněný hvězdami, viděli bychom při pohledu na hvězdnou oblohu souvisle bílou a silně zářící plochu. Samotné by nás to možná roztavilo. Ale jinak jak je vesmír velký, se příliš neví, zabývá se tím kosmologie, na kterou nejsem zrovna odborník, takže o tom nemohu moc mluvit.

Zabýváte se optikou a teorií neviditelnosti. Co je vlastně možné vidět? Co je to vlastně viditelný svět, viditelný vesmír?
Když něco vidíme, vzniká obraz na naší sítnici, který je vyvolán světlem. Světlo jsou elektromagnetické vlny, které jsou projevem jedné ze čtyř známých interakcí – sil, kterými na sebe působí hmota. Je to interakce gravitační, elektromagnetická a dva typy jaderné interakce – silná a slabá.
Kromě gravitační interakce, která nás neustále poutá k zemi, je elektromagnetická interakce nejběžnější a asi nejvíce ovlivňuje náš život. Jedním z jejích projevů je, že něco vidím, ale také to, že se nepropadnu do země, která mě gravitačně přitahuje. (Teď sedím na židli, a kdybych se chtěl na ni víc přitlačit, začnou se překrývat elektronové obaly ve mně a v židli a vznikne odpudivá síla. Díky tomu se nepropadnu dolů, ale zůstanu na svém místě.)
Tím se dostávám k vaší otázce, jestli ve vesmíru existuje něco, co nevidíme. Je toho spousta. Zdá se, že existuje zvláštní typ hmoty, takzvaná temná hmota. Ta se projevuje gravitačně, přitahuje běžnou hmotu, ale nepůsobí elektromagneticky. Světlo tou hmotou pouze proniká. (O temné hmotě víme z pozorování galaxií a z toho, že jejich rotační rychlost neodpovídá přítomnosti pouze viditelné hmoty. Je tam více gravitace.) Takže je možné, že kolem nás je jiná hmota, třeba i se stejnou hustotou, jako máme my i hustší, ale my si jí vůbec nevšimneme, protože běžnou hmotu vlastně míjí.

Mám to chápat jako alternativní svět?
Je to klidně možné. Mohou tu být i jiné bytosti, které jsou z temné hmoty a které spolu interagují jinak, než elektromagnetickou interakcí. Neví o nás a my nevíme o nich. I když něco bychom možná vědět mohli, protože temná hmota se projevuje gravitačně. Třeba my dva se navzájem gravitačně přitahujeme, ale je to strašně slabá síla. Kdyby byla gravitace silnější, rozpoznal bych, jestli tu sedíte, nebo nesedíte, podle toho, kam by mne to přitahovalo. Ve skutečnosti to můžeme pozorovat jen tam, kde je gravitace hodně, například právě v galaxiích.

Bavíme se o hmotě a o skryté hmotě. Ale co je to vlastně ta „běžná“ hmota?
Je to složité. Fyzikové hmotu dokážou popsat, předpovědět její vlastnosti a využít to ve svůj prospěch. Když ale přijde na to, co to vlastně hmota skutečně je, je i fyzika v koncích. Dostáváme se tak na pomezí fyziky a filosofie.
Jako fyzik mohu říct, že se hmota skládá z elektronů, protonů a neutronů, které spolu interagují. Že neutrony jsou potřebné, aby jádra prvků držela pohromadě. Že kolem toho „obíhají“ elektrony v jakémsi oblaku. A že elektron je částice, která má elektrický náboj a spin, určitou rotaci. Ovšem už nemůžu říct, jakou má vnitřní strukturu. Není další hmota, ze které by byl „vyrobený“. Zdá se, že elektron je bodový. Jenže kdyby elektrické pole vytvářel bodový náboj (náboj nulové velikosti), mělo by nekonečnou energii; každý elektron by byl spojen s nekonečnou energií.
Fyzika tedy dokáže mnoho říct o spoustě věcí, ale vždy se vynoří spousta dalších otázek. Nikdy to není ukončené. Vždy existuje mez poznání, za kterou je to, „co se neví“. Je to jakoby fraktální. Když objevíme něco většího, pokaždé se objeví další drobnosti, kterým již nerozumíme. Je to úžasné, protože to můžeme pořád dál zkoumat a nemůžeme říct, že už všechno víme.

Zmiňoval jste atom, který byl dlouhou dobu považován za nejmenší částečku hmoty. Dnes už se ale domníváme, dopočítáváme, že existují i menší části hmoty?
V atomu je důležitý elektron, jehož, jak jsem řekl, další strukturu neznáme. Pak jsou protony a neutrony, které jsou těžší než elektrony a mají svou bohatou vnitřní strukturu. A zajímavé je, že proton a neutron se mohou měnit jeden ve druhý.
Právě protony a neutrony interagují dalšími interakcemi, a to silnou a slabou jadernou interakcí. Slabá se projevuje třeba při takzvaném beta-rozpadu, kdy z jádra vyletí elektron, neutron se přemění na proton, a původní prvek se změní v jiný prvek. Vlastně je to pradávný sen alchymistů.
Silná jaderná interakce je významnější, protože drží jádro pohromadě. Například jádro atomu kyslíku se skládá z osmi protonů a osmi neutronů. Kdyby tam byly jen kladně nabité protony, elektromagnetická síla by je od sebe silně odpuzovala, až by se to celé rozprkslo. Proto tam jsou neutrony, které neinteragují elektricky, ale interagují s protony prostřednictvím silné jaderné interakce. Protony a neutrony jsou navíc složeny z kvarků, ze zvláštních částic, které jsou vždy tři a nedají se od sebe izolovat. Kdybychom je chtěli vzdálit, síla k tomu potřebná by neustále rostla. Takže to není tak, že bychom překonali nějakou vzdálenost a kvarky by se oddělily.
K existenci atomu je také potřeba elektromagnetická interakce. Ta se dá popsat čistě pomocí rovnic klasického elektromagnetického pole, ale přesnější popis vznikne za pomoci kvantové elektrodynamiky. K tomu už ovšem potřebuju fotony, jakási kvanta – částečky elektromagnetického pole. Například světlo je proud fotonů – skutečných fotonů. Pak ale existují i virtuální fotony, které nemůžeme odchytit, protože vzniknou a po chvíli zase zaniknou. Když interaguje proton a elektron je to, jako by si vyměňovaly fotony. Jako by elektron vyzářil nějaký foton a proton ho pohltil a zase naopak. Je to až neuvěřitelné. Kdyby do toho člověk více pronikl, žasl by, že je něco takového vůbec možné. Když se to řekne slovy, zní to jako sci-fi.
Richard Feynman to pěkně popsal ve své knize Kvantová elektrodynamika - Neobyčejná teorie světla a látky. Knihu mohu doporučit divákům, protože je to tam vysvětleno pomocí jednoduchých pojmů. Když to člověk čte, má pocit, že si z nás příroda dělá legraci. Přitom se zdá, že to tak všechno funguje. Žádná lepší teorie totiž není.

Jaký je vztah hmoty a energie v těchto niternostech elektronů, protonů, neutronů, kvarků…?
Tam se již rozdíl mezi hmotou a energií docela stírá.Když vezmu částici a k ní příslušnou antičástici (třeba elektron a pozitron) a dámje blízko sebe, tak se slušnou pravděpodobností zanihilují a přemění se ve dva fotony. A naopak když namíříme dva fotony s velkou energií proti sobě, může se stát, ta pravděpodobnost je velmi malá, že z nichvznikne elektron a pozitron.Takže na začátku jsem měl jenom fotony, téměř čistou energii, ale nakonec mám základní stavební kameny hmoty – elektron a pozitron.

Hmota a energie jsou tedy dvě tváře téhož?
Ano, mohli bychom to tak říci. Albert Einstein s tím přišel se svým vztahem E=mc2, který to naznačuje: Když mi dáte kilogram hmoty, mohu vám spočítat, kolik je v ní ukryto energie. A je jí hodně, asi 1017 Joulu.

Kromě toho, že jste fyzik, jste také člověk věřící v boha. Kde se skrývá bůh v protonech a elektronech?
Podle mě se bůh neskrývá ve hmotě, je mimo prostor a čas. Ostatně na tom se shodují i křesťanští teologové.Je zajímavé, že teorie velkého třesku je v harmonii s tím, co říkají o stvoření světa první kapitoly bible: na začátku nebylo nic a pak bůh po částech něco přidával…

V bibli jde ale spíše o metaforu, než o popis přírodovědeckého jevu…
V tom křesťané rozhodně nejsou zajedno. Líčení stvoření v sedmi dnech nemá být vědecký popis toho, co se přesně stalo. Ale je to tam napsáno, takže to má co říct, má to nějaký účel. A tím je, že bůh vytvořil z ničeho nic, že to vymyslel, řekl, ať se to stane, a stalo se to…

… a podle jeho plánu se to vyvíjí dál jako podle jízdního řádu?
Nevím, jestli je to předem naplánováno se všemi detaily, nebo je nám ponechána nějaká volnost. Nevím, jestli se na to dá nějak odpovědět. Bůh, jak si ho jako křesťané představujeme, vidí celou historii současně.Nedá se říct, že na začátku něco udělal a pak již jen pozoroval.Stojí za naší historií celou dobu.

Nevidíte v tom rozpor?
Ne.Rozpor mezi vírou v boha a vědou rozhodně není.O tom nás přesvědčuje i to, že spousta vynikajících vědců byli věřící lidé. Například Isaac Newton, možná největší fyzik všech dob, byl hluboce věřící a údajně se věnoval studiu bible více než studiu přírodních zákonů.Rozpor v tom tedy nevidím.

Tomáš Tyc (*1973)

1996 – magistr v oboru fyzika odborná, specializace teoretická fyzika, Masarykova univerzita
1999 – obor teoretická fyzika a astrofyzika, PhD., Masarykova univerzita Brno
2006 – docent v oboru Teoretická fyzika a astrofyzika, Masarykova univerzita  Brno
2009 – profesor v oboru Teoretická fyzika a astrofyzika, Masarykova univerzita
– popularizátor fyziky (např. fyzikální show „Dobrodružná fyzika“ v brněnském planetáriu v letech 2005 - 2007)
(zdroj Masarykova univerzita)

(redakčně kráceno)