Kvantová mechanika je složitá věda, a jestli máte pocit, že jí nerozumíte, nic si z toho nedělejte. Stačí si jen vzpomenout na věhlasného Richarda Feynmana, jednoho z největších fyziků minulého století, který v této souvislosti s jistou nadsázkou tvrdil, že jí nerozumí nikdo.
Pravdou ale je, že v praxi kvantová mechanika funguje, o čemž svědčí řada jejích praktických aplikací, které běžně používáme v každodenním životě. Za všechny jmenujme alespoň počítače, mobilní telefony, lasery či internet.
Přeplněné vakuum
Svět se na atomární a subatomární úrovni chová velmi podivně, často až se zdá, že chování elementárních částic odporuje "zdravému selskému rozumu". S pouhou intuicí bychom při studiu kvantové fyziky asi daleko nedošli.
Typickým příkladem podivnosti kvantového světa je vakuum. Na první pohled nejde o nic složitého, vždyť je to jen prázdný prostor, řeknete si. Ale existuje vůbec něco jako dokonale prázdný prostor? Když z určité ohraničené části prostoru odstraníte veškerou hmotu do posledního atomu, co myslíte, že zbude? Nic?
Ne tak docela. Jen vytvoříte kvantové vakuum, které moderní fyzika definuje jako stav systému o nejnižší možné energii. Přesto ale vakuum nikdy úplně prázdné není, neboť je díky kvantovým fluktuacím plné efemérních částic a polí, které neustále vznikají a zase zanikají. Popularizátoři v tomto případě nejčastěji hovoří o "kypící kvantové pěně".
Přitažlivost prázdna
Fyzici těmto částicím a polím říkají virtuální, čímž asi jen chtějí ještě víc zdůraznit jejich prchavou existenci. Jenže virtuální částice mohou ovlivňovat reálný svět. Jedním z příkladů takového vlivu je Casimirův jev.
Jak to pořádně rozhýbatExperiment je technicky složitější, než by se z našeho zjednodušeného popisu mohlo zdát. Jádrem zařízení byl vlastně magnetometr SQUID (superconducting quantum interference device, tedy supravodivý kvantový intereferometr). To je zařízení velmi citlivé na vliv magnetického pole. Tým sestrojil supravodivý okruh, ve kterém magnetické pole prochází přes SQUID. Přepínáním polarity magnetického se pak SQUID rozvibroval. Koho zajímá pokus detailně, může se podívat do originálu práce na serveru arXiv.org. Je dostupná zde. Publikace v některém uznávaném časopise ji teprve čeká. Jde o "zkoušku dospělosti" vědeckých prací. Úspěch je ovšem velmi pravděpodobný. ArXiv je určen jen pro odborníky a jen málokterý fyzik by se tu odvážil vyvěsit práci pochybné kvality. |
Jeho existenci ilustruje pokus, pro který potřebujeme vakuum a dvě rovnoběžné nenabité desky v nepatrné vzdálenosti od sebe (řádově v nanometrech, tedy miliardtinách metru). Zatímco v okolí kypí kvantová pěna a rychle vyskakují a mizí částice, mezi deskami je tato částicová zoo o hodně chudší. Objevují se tu jen ty částice, které mají vlnovou délku menší, než je šířka mezery mezi deskami. Přesila částic v okolí pak tlačí obě desky k sobě.
Uvedená síla je měřitelná. Poprvé byla už přesvědčivě změřena, říká Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR: "Jen se nepoužívají dvě desky, protože srovnat je proti sobě by bylo příliš obtížné, ale deska a kulička. Vzdálenost pak lze určit přesněji."
Hrňte vakuum!
K podobnému jevu by mohlo dojít i na jediné desce se správnými vlastnostmi, předvídá teorie. "Musíte mít vodič, kterým před sebou musíte obrazně řečeno hrnout vakuum. Ale musí to být opravdu rychle, nejlépe rychlostí dvacet, třicet procent rychlosti světla," říká Jiří Chýla. Na okrajích takové desky by měly samovolně vzniknout skutečné fotony.
"Zjednodušeně řečeno, vakuum se nestačí v daném místě přeorganizovat a v místech, kde se kvantové fluktuace shromažďují, vznikají fotony," shrnuje Chýla. Nejde o porušení zákona o zachování energie, protože energii nutnou pro vznik reálných fotonů dodává pohybující se desky.
Ovšem experiment s mechanickou deskou, pohybující se takovou rychlostí, je dnes nemožný. Per Delsing, fyzik z Chalmersovy technologické univerzity v Göteborgu, tento problém obešel jinak: "Mění velmi rychle délku vodiče a rozpohybují tak okraje na velké rychlosti," přibližuje Jiří Chýla.
Vědci svůj experimentální vodič rozhýbali na pět procent rychlosti světla. K vyvolání zkoumaného jevu to podle vědců postačuje. Švédský fyzik tvrdí, že z jeho zrcadla skutečně vytryskla sprška mikrovlnných fotonů. Jestli se nemýlí, podařilo se mu světlo vytvořit jakoby z ničeho.
Pro praktiky i teoretiky
Pokud budou výsledky pokusu švédských vědců nezávisle potvrzeny, mohlo by jít o zajímavý příspěvek k našim zatím nedostatečným znalostem o vesmíru. Projevy energie vakua, které Casimirův jev představují, například úzce souvisí s tím, co se nazývá temná energie a představuje to jednu z velkých záhad současné fyziky, říká fyzik Jiří Chýla. "To, že vakuum není prázdné, je klíčové pro vysvětlení toho, proč se vesmír dávno nerozpadl, i když by vlastně měl, kdybychom slepě aplikovali stávající teorie", vysvětluje český fyzik.
"Experiment je zajímavý i z technologického hlediska," říká Jiří Chýla. Vědci museli zvládnout provádění velmi přesných a rychlých měření a jejich zkušenosti se mohou jistě hodit i dalším.
