V pátek 23. července dorazila z USA zpráva, která zarmoutila celý vědecký svět. Zemřel Steven Weinberg, jeden z nejvýznamnějších fyziků 20. století, spoluautor teorie elektroslabého sjednocení, jednoho z nejdůležitějších výsledků v dějinách fyziky. Proslul také jako průkopník nových metod v kvantové teorii pole i pokusů o kvantování gravitace, předpověď axionů, propagátor teorie velkého třesku, skvělý učitel a popularizátor vědy. Současně šlo o jednoho z posledních velikánů, kteří dokončovali standardní model částicové fyziky. Připomeňme si dnes tuto superstar světové vědy s brilantní myslí i originálními a mnohdy neotřelými názory trochu blíže.

Mládí a studium

Narodil se v New Yorku židovským přistěhovalcům, manželům Evě a Fredericku Weinbergovým. Na rozdíl od mnoha jiných fyziků se o vědu začal zajímat až v poměrně pozdním věku a nejprve jej zaujala chemie. K tomu dopomohla chemická sada, jíž se mu dostalo od bratrance věnujícího se spíše boxu. Steven dlouho váhal, zda je pro něj výzkum tou správnou cestou, naštěstí ho však otec Frederick podpořil a mladý talent nebyl zmařen. Roku 1950 dokončil Bronx High School of Science, světově nejúspěšnější střední školu co do počtu laureátů Nobelovy ceny mezi absolventy. Ve stejném ročníku se shodou náhod sešel s jistým Sheldonem L. Glashowem, o němž ještě budeme mluvit.

Mladý Steven Weinberg na High School v Bronxu.
Zdroj: https://web2.ph.utexas.edu/

K začátku univerzitního studia si Weinberg zvolil Cornellovu univerzitu, bakalářský titul obhájil v roce 1954. V témže roce se oženil s Louise Goldwasser. Seznámili se právě na Cornellu a ve svazku setrvali až do Stevenovy smrti. Po zisku titulu odešel Weinberg do dánské Kodaně, kde zahájil vlastní výzkum i doktorské studium, které ale dokončil až zpět v USA na Princetonské univerzitě (1957).

Raný výzkum a začátek kariéry

První dva roky po obdržení doktorátu pracoval na Kolumbijské univerzitě v New Yorku, koncem 50. let však přešel na Kalifornskou univerzitu v Berkeley, kde působil až do roku 1966. V Kalifornii se manželům Weinbergovým narodil i jediný potomek, dcera Elizabeth. Zkoumal rozličná témata z fyziky částic jako například rozptyl pionů, infračervené záření nebo narušení fyzikálních symetrií. Až do této doby lze datovat i počátek práce na jeho životním díle, třísvazkové učebnici kvantové teorie pole. Všechny díly byly vydány teprve mezi roky 1995 a 2000 a celkově obsahují více než 1500 stran textu.

Louise Weinberg
Zdroj: https://www.wikilawschool.net/

Počátkem 60. let se rozhodl spojit částicovou fyziku se zájmem o vesmír. Napsal několik textů na téma kosmická neutrina, přičemž senzační objev reliktního záření Penziase a Wilsona (1964) ho utvrdil ve správnosti volby, díky němu získal slabost pro obecnou relativitu i kosmologii a zejména teorii velkého třesku, jejímž byl od té doby velkým zastáncem a podporovatelem, což jej vedlo mimo jiné k sepsání učebnice s názvem Gravitace a kosmologie (1972).

Elektroslabé sjednocení

Fyziku částic přesto Weinberg stále preferoval, v té době měl jako hlavní předmět zájmu mechanismus spontánního narušení symetrie, který nedlouho předtím objevili Giovanni Jona-Lasinio, Anatolij Larkin, Jojčiro Nambu a Valentin Vaks. Weinberg se pokoušel tento mechanismus aplikovat na silnou jadernou interakci. V roce 1967 ale upřednostnil otázku elektromagnetické a slabé jaderné síly, respektive jejich sjednocení do elektroslabé interakce.

Peter Higgs
Zdroj: https://www.nobelprize.org/

Elektromagnetismus působí i na velké (teoreticky až nekonečné) vzdálenosti, zatímco slabá jaderná síla má velmi krátký dosah. Podle kvantové teorie probíhá silové působení skrze tzv. intermediální částice, bosony zprostředkovávající danou interakci. U elektromagnetismu se jedná o fotony s nulovou klidovou hmotností, ale u slabé jaderné síly je kvůli krátkému dosahu interakce nutné uvažovat poměrně hmotné a případně i elektricky nabité výměnné bosony. V té době už fyzika několik let znala mechanismus, který by toto umožnil. Přišlo s ním několik skupin fyziků, mimo jiné i Peter Higgs, podle nějž se jmenuje Higgsův mechanismus. Robert Brout, François Engler, Peter Higgs a další předpověděli i novou částici zodpovědnou za hmotnost jiných elementárních částic, slavný Higgsův boson.

Weinberg navrhl model s velmi hmotnými bosony W a Z, působícími jako výměnné částice slabé jaderné síly. Postuloval úzkou souvislost mezi fotony a W a Z bosony. Spojuje je symetrie spontánně narušená výše zmíněným mechanismem. Předpokládal proto, že na úrovni vysokých energií jsou tyto dvě síly ve skutečnosti silou jedinou. Svá zjištění publikoval ještě v roce 1967 v odborném časopise Physical Review Letters pod poněkud nudným názvem A Model of Leptons. V názvu zmíněné leptony, o nichž bude ještě řeč později, jsou částice, na něž nepůsobí silná jaderná síla. Patří mezi ně i dobře známé elektrony a neutrina.

Weinbergova legendární učebnice kvantové teorie pole.
Zdroj: https://kosho.or.jp

Na sjednocení elektromagnetické a slabé jaderné interakce pracoval ještě pákistánský fyzik Abdus Salam, jenž nezávisle na Weinbergovi dospěl ke shodným výsledkům. Oba muži navázali spolupráci, aplikovali Higgsův mechanismus na své modely a vysvětlili narušení symetrie elektroslabé interakce.

Již dříve se pokoušel dát do spojitosti elektromagnetismus a slabou jadernou sílu též Weinbergův spolužák ze střední školy Sheldon Glashow. Jeho model nebyl zcela optimální, neboť nedokázal vysvětlit narušení symetrie a neodpovídal žádným experimentálním výsledkům. Postuloval ale novou částici Z boson, a nový typ interakce mezi leptony tzv. slabé neutrální proudy zprostředkované právě Z bosony. Navíc správně určil výslednou strukturu symetrie sjednocené elektroslabé interakce.

Glashow, Weinberg a Salam nakonec dohromady zformulovali definitivní matematickou podobu teorie elektroslabého sjednocení (GWS model), přičemž slabé neutrální proudy zase představovaly základní možnost experimentálního ověření modelu. Teorie pak předpověděla hned tři nové částice. Kromě zmíněného Z bosonu ještě dva W bosony, s kladným a záporným elektrickým nábojem, vysvětlující radioaktivní beta přeměnu.

Feynmanův diagram radioaktivní beta přeměny.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Když došlo v CERNu na experimentu Gargamelle k objevu slabých neutrálních proudů (1973), znamenalo to potvrzení modelu Weinberga, Glashowa a Salama a sjednocení elektromagnetismu se slabou jadernou silou. Roku 1979 si tak mohli všichni tři naši hrdinové jet do Stockholmu pro Nobelovu cenu za fyziku.

Samotný Z boson, který slabé neutrální proudy zprostředkovává, a jehož název odkazuje na nulový elektrický náboj, byl objeven až o deset let později (Nobelova cena Carlo Rubia a Simon van der Meer). Podobně jako dva bosony W, nazvané podle slabé interakce (anglicky Weak). Poločas přeměny W a Z bosonů je 10^-25 sekundy a hmotnost na poměry částic obrovská (Z boson je hmotnější než atom železa), slabá jaderná síla má kvůli tomu dosah kratší, než velikost atomového jádra.

Sjednocení, například elektřiny a magnetismu Jamesem Clerkem Maxwellem, či Einsteinovo sjednocení speciální relativity a Newtonova gravitačního zákona do obecné relativity, jsou často považována za jedny z největších průlomů ve fyzice. S jejich takto zásadním významem i mimo fundamentální fyziku lze do určité míry polemizovat, přesto jde o objevy z vědeckého hlediska velmi význačné.

Nositelé Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1979. Zleva Sheldon Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg.
Zdroj: https://ychef.files.bbci.co.uk/

Zatím poslední velké sjednocení ve fyzice je právě to elektroslabé. Od jeho experimentálního potvrzení můžeme ve fyzice svým způsobem uvažovat jen 3 základní síly, gravitační, silnou jadernou a elektroslabou, byť jednotně se tato síla začne projevovat až pro energie 10¹¹ eV a vyšší. To odpovídá teplotám zhruba 10¹⁶ K a časům 10^-12 s po vzniku vesmíru. Co se dělo ve vesmíru před tímto okamžikem, blíže k jeho vzniku, je prozatím v říši hypotéz a spekulací, naopak pozdější časy máme prozkoumány poměrně spolehlivě.

Pozdější vědecká a akademická kariéra

Ale zpět k Weinbergovi a jeho životu. V době svých vrcholných objevů na elektroslabém sjednocení měl již nového zaměstnavatele, Harvardovu univerzitu nacházející se v Cambridge ve státě Massachusetts. Hostoval rovněž na nedalekém Massachusettském technologickém institutu (MIT).

Roberto Peccei a Helen Quinn
Zdroj: https://www.pa.ucla.edu/

Práci na částicové fyzice nezavrhl ani po uveřejnění konečné verze modelu GWS. Teorii elektroslabého sjednocení, do níž dokázal úspěšně zahrnout kvarky, vyvíjel i v následujících letech. Zabýval se však také dalšími problémy této fyzikální disciplíny, podílel se na rozvoji teorie superstrun nebo konceptu supersymetrie. V průběhu 70. letech navrhl jisté úpravy standardního modelu částicové fyziky a novou hypotézu vysvětlující, proč je gravitace o tolik slabší než ostatní síly.

Když Nobelista Julian Schwinger opustil Harvardovu univerzitu a odešel na Kalifornskou univerzitu v Los Angeles (1973), obsadil Weinberg jeho křeslo Higginsova profesora fyziky a získal rovněž post vědeckého pracovníka na Smithsonově astrofyzikální observatoři. Na Harvardu se znovu potkali se Sheldonem Glashowem, nyní oba v roli profesorů fyziky. V tomto období se ve výzkumu věnoval především kvantovému popisu silné jaderné a gravitační síly a kvantové teorii pole, v níž učinil zásadní příspěvky týkající se zjednodušení a zefektivnění výpočtů.

Frank Wilczek
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Z roku 1977 pochází návrh mechanismu Pecceiho a Quinnové, řešící některé problémy s narušením složené symetrie konjugace náboje a parity (CP symetrie) v silné jaderné síle. Teorie přidává novou symetrii, která se spontánně narušuje. Steven Weinberg a Frank Wilczek rok poté ukázali, že to vede ke vzniku nové částice, Weinbergem pojmenované Higglet. Wilczek použil název axion, podle značky čistících prostředků, neboť přidání této částice „vyčistí“ problémy teorie. Wilczekův název se ujal více, Weinberg proto souhlasil s jeho přijetím.

V roce 1980 získala Weinbergova manželka Louise post profesorky práva na Texaské univerzitě v Austinu. Steven ale dále pracoval na Harvardu, proto manželé mnoho měsíců pendlovali mezi Texasem a Massachusetts. Teprve o dva roky později byl na stejné instituci zaměstnán i Steven, obsadil místo profesora fyziky a astronomie a založil zde skupinu teoretické fyziky, jednu z nejvýznamnějších pracovních skupin v oboru na celém světě.

Kosmický výzkum

Weinberg svými výzkumy supersymetrie a axionů položil fyzikální základ pro pátrání po částicích temné hmoty, záhadné substance tvořící 27 % hmoty/energie (ve smyslu ekvivalence hmoty a energie) vesmíru. Poprvé ji zaznamenali ve 30. letech minulého století Fritz Zwicky a Jan Oort.

Fritz Zwicky
Zdroj: https://scilogs.spektrum.de/

První uvažovanou možností jsou supersymetričtí partneři, částice předvídané zmíněnou supersymetrickou teorií. V takovém případě by šlo o tzv. LSP, nejlehčí supersymetrickou částici. Nevíme zatím přesně o jakou částici by mělo jít, ale víme, že bude elektricky neutrální, proto se jí říká neutralino. V opačném případě by už byla zachycena elektromagneticky.

Na tyto částice by se měly rozpadat ostatní těžší supersymetrické částice. Samotné neutralino (ať už jde o jakoukoliv konkrétní částici) by mělo být sice také nestabilní, avšak s natolik dlouhým poločasem přeměny, že by mohlo temnou hmotu tvořit. Občas by se ale nějaká neutralina rozpadnout měla, a to buď na dva fotony nebo pár částice a antičástice, přičemž tyto rozpady bychom měli být schopni detekovat.

Supersymetrie (SUSY). Vlevo běžné částice, vpravo hypotetičtí supersymetričtí partneři.
Zdroj: https://cdn.arstechnica.net/

Odborníci se nyní snaží najít stopy po rozpadu částic temné hmoty přicházející z míst s její vysokou koncentrací, a to ve formě přebytku buď fotonů gama záření a nebo pozitronů. Krásně jim v tom pomáhá kosmonautika. Gama záření s možným původem v temné hmotě hledá především sonda Fermi, po pozitronech potom pátrají zejména družice PAMELA a detektor AMS-02 umístěný již jedenáctým rokem na Mezinárodní vesmírné stanici (projekt vede držitel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1976 Samuel Ting).

AMS-02
Zdroj: https://ams02.space/

Přebytek pozitronů sice výše zmíněné přístroje skutečně detekují, avšak vysvětlení přes rozpad částic temné hmoty je dosti nepravděpodobné. Přebytek lze vysvětlit i jinými procesy ze známé fyziky, například může pocházet z pulsarů nebo z interakcí částic kosmického záření s plynem v mezihvězdném prostoru. Navíc nepozorujeme dostatek antiprotonů, což bychom při takových energiích měli. Další pozorování by snad měla odhalit více, ale na temnou hmotu to úplně nevypadá.

Druhou možností jsou právě Weinbergem předpovězené axiony, hledané v několika experimentech po celém světě. Nedávno se na pátrání po axionech zaměřila i rentgenová observatoř Chandra, pojmenovaná po slavném indickém fyzikovi Chandrasekharovi.

Rentgenová observatoř Chandra
Zdroj: https://astrobiology.nasa.gov/

Pokud axiony existují, měly by mít velmi nízkou klidovou hmotnost a při průchodu magnetickým polem by se občas měly proměnit na fotony, ale naopak i fotony by se občas mohly proměnit na axiony. Frekvence těchto změn závisí na tzv. převoditelnosti axionů. Někteří vědci navíc navrhují rovněž existenci jiných axionům podobných částic s obdobnými, ale ne shodnými vlastnostmi.

Samuel Ting
Zdroj: https://www.nobelprize.org/

Astronomy zajímal právě parametr převoditelnosti. Pro pozorování se rozhodli vybrat kupy galaxií, jelikož mají silná magnetická pole a vyskytují se zde zdroje rentgenového záření, konkrétně zvolili tu v souhvězdí Persea. Celých 5 dní nechali Chandru dívat se na supermasivní černou díru ve středu galaxie NGC 1275, nacházející se v centru této kupy. Přestože očekávali nalezení axionů či jim příbuzných částic, nepozorovali nic zajímavého.

Možná si říkáte, k čemu takové zjištění je, ale i negativní výsledky jsou ve vědě velmi podstatné. Nejinak je tomu i nyní, už proto, že lze vyloučit celou řadu možných druhů axionů a dalších podobných částic, a to až do velmi malých klidových hmotností. Možné je i to, že axiony vůbec neexistují, avšak prokázáno to není. Je naopak možná i vyšší hmotnost axionů, než jakou astronomové předpokládali a nebo je převoditelnost axionů pod hranicí možnosti detekce daného pozorování. Počkejme si na další výsledky.

Popularizace vědy

Jen málo vědců dokáže spojit špičkovou kariéru ve výzkumu s kvalitní popularizací svého oboru. Steven Weinberg byl jedním z nich (dalšími třeba Richard Feynman nebo Frank Wilczek). Vzhledem ke svému zájmu o kosmologii byl Weinberg požádán, aby o tomto tématu pronesl na Harvardu přednášku. Popsal v ní vývoj vesmíru během prvních tří minut, neboť jak poznamenal: „Poté už se ve vesmíru téměř nic zajímavého nestalo.“

Obálka anglického vydání knihy První tři minuty
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Právě z této přednášky původně vychází pravděpodobně první bestseller v historii popularizace fyziky, publikace První tři minuty, vydaná v roce 1977. Český překlad vyšel v edici Kolumbus nakladatelství Mladá fronta v roce 1982. Weinberg knihu aktualizoval o nové poznatky v roce 1993, proto i Mladá fronta připravila druhé vydání, které vyšlo roku 2000. Kniha byla přeložena i do dalších 21 jazyků a pochází z ní známý výrok: „Čím více se vesmír zdá být srozumitelným, tím více se také jeví zbytečným.“

Za zmínku stojí i další Weinbergovy knihy, například Snění o finální teorii. V originálu publikováno v roce 1993, český překlad vydal Alois Hynek (1999). O pět let později vydalo nakladatelství Aurora knihu Tváří v tvář, v originále vyšla roku 2001. A prozatím poslední přeloženou knihu Jak vyložit svět vydalo nakladatelství Slovart v roce 2017, přičemž originál pochází z roku 2010.

Mimo knih psal Weinberg pravidelně i novinové články a přednášel pro veřejnost o důležitosti vědy. Znám byl rovněž jako zastánce některých teorií a experimentů. Kupříkladu silně propagoval moderní kosmologii a teorii velkého třesku. A obhajoval také stavbu obřího urychlovače částic Superconducting Super Collider (SSC) o obvodu 87 kilometrů, který měl být postaven v Texasu. Projekt nakonec roku 1993 zrušil Kongres Spojených států amerických z finančních důvodů.

Občanské postoje

Vzhledem k Weinbergovu židovskému původu patrně nikoho příliš nepřekvapí silná podpora státu Izrael. Veřejně také vystupoval proti nošení zbraní na univerzitách a hrdě se hlásil k ateismu, patřil mezi nejslavnější a nejuznávanější ateisty mezi vědci.

Jak vyložit svět
Zdroj: https://www.obalky.kosmas.cz/

Odmítání náboženství do určité míry ovlivnilo i Weinbergovy názory na kosmologii. Teorii ustáleného stavu, tedy alternativu k velkému třesku, která byla navíc koncem 40. let a v 50. letech dominantní, považoval za filosoficky velmi atraktivní, neboť nejméně připomíná stvoření světa podle knihy Genesis. Později však pod tíhou důkazů svůj názor změnil a stal se velkým obhájcem teorie velkého třesku.

K roli lidstva ve vesmíru poznamenal: „Nejsme herci dramatu, které bylo napsáno s námi v hlavní roli. Existují přírodní zákony, ty objevujeme, ale jsou neosobní, jsou chladné. Nejedná se o úplně šťastný pohled na lidský život. Myslím, že je to tragický pohled, ale pro fyziky nejde o nic nového.“

Závěr

Steven Weinberg byl až do svého skonu právem označován za nejlepšího žijícího teoretického fyzika. Držel celou řadu ocenění, kromě Nobelovy ceny jmenujme třeba Národní vyznamenání za vědu nebo Heinemanovu cenu za matematickou fyziku. Patřil mezi nejcitovanější fyziky na světě.

Steven a Louise Weinbergovi s královnou Beatrix.
Zdroj: https://web2.ph.utexas.edu/

O významu Weinberga i jeho práce svědčí snad nejlépe reakce dalších význačných odborníků z oboru poté co se dozvěděli o úmrtí váženého kolegy. Přední americký teoretický fyzik John Preskill, Weinbergův bývalý doktorand, řekl: „Byl jedním z nejúspěšnějších vědců naší doby a obzvláště výmluvným mluvčím vědeckého světonázoru.“ Popularizátor fyziky Sean Carroll prohlásil: „Šlo o jednoho z nejlepších fyziků, kterého jsme měli a jednoho z nejlepších myslitelů, projevoval mimořádnou jasnost myšlení po celou dobu dlouhého a produktivního života.“ Časopis Science News jej jmenoval jako jednoho z lídrů fyzikálního výzkumu své éry, společně z Richardem Feynmanem a Murrayem Gell-Mannem a přidal komentář: „Mezi svými vrstevníky byl Weinberg jednou z nejrespektovanějších postav fyziky, možná i celé vědy.“

Steven Weinberg byl téměř až do posledních chvil aktivní, vyučoval stále na univerzitě a snažil se držet krok se současnou vědou. Dožil se krásného věku 88 let a mezera, kterou po sobě zanechal se bude velmi dlouho a obtížně zaplňovat. Naštěstí jeho myšlenky s námi žijí a budou žít i nadále.

Doporučená literatura:
Steven Weinberg – „The First Three Minutes“ – česky jako „První tři minuty“ (Mladá fronta, 2000)
Steven Weinberg – „Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature“ – česky jako „Snění o finální teorii“ (Alois Hynek, 1999)
Steven Weinberg – „Facing Up: Science and Its Cultural Adversaries“ – česky jako „Tváří v tvář“ (Aurora, 2004)
Steven Weinberg – „To Explain the World: The Discovery of Modern Science“ – česky jako „Jak vyložit svět“ (Slovart, 2016)

Další použité zdroje:
Steven Weinberg – esej „A Designer Universe?“
Steven Weinberg – „To Explain the World“
Steven Weinberg – „On the Shoulders of Giants“
Steven Weinberg – „What’s the Matter with Quantum mechanics?“
Steven Weinberg – „This World and the Universe“
Steven Weinberg – „Open Questions at the Physics Frontier“
Steven Weinberg – „Dreams of a Final Theory“
Richard Dawkins – „Steven Weinberg Discuss“
Nobel Prize – „Weinberg biography“
Wikipedia – „Steven Weinberg“
Science News – „Steven Weinberg’s death“
Twitter – „reakce na Weinbergovu smrt“
„AMS-02“
„Chandra X-Ray Observatory“

Zdroje obrázků:
https://awsforwp.com/wp-content/uploads/2021/07/Steven-Weinberg-Nobel-laureate-physicist-dies.jpg
https://web2.ph.utexas.edu/utphysicshistory/Images/Steven_Weinberg_files/SteveWeinberg1950BronxHS-ScienceWeb.jpg
https://www.wikilawschool.net/w/images/f/f9/L_Weinberg_UT.jpg
https://www.nobelprize.org/images/higgs-15185-portrait-medium.jpg
https://www.kosho.or.jp/upload/save_image/12050620/20200321132542943865_143ef44cb79dcb4afb85733bba170b05.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Beta_Negative_Decay.svg
https://ychef.files.bbci.co.uk/1600×900/p07r17fw.webp
https://www.pa.ucla.edu/images/peccei-images/peccei-quinn.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b1/FrankStockholm2004.jpg
https://scilogs.spektrum.de/prosa-der-astronomie/files/zwicky.jpg
https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2014/04/SM-SUSY-diagram.jpg
https://ams02.space/sites/ams02.web.cern.ch/files/inline-images/mega_menu_discover_2.jpg
https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/e8/fc/e8fc19cf-3783-4c7c-b6c6-2d756448ced3/chandra_hero.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
https://www.nobelprize.org/images/ting-13287-portrait-mini-2x.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5/5c/The_First_Three_Minutes_%28first_edition%29.jpg
https://obalky.kosmas.cz/ArticleCovers/212/719_big.jpg
https://web2.ph.utexas.edu/utphysicshistory/Images/Steven_Weinberg_files/Louise_and_Steven_Weinberg_with_Queen_Beatrix_1983.jpg