Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Tak zvané nic

Protiví si příroda prázdno?

Publikováno: Vesmír 94, 87, 2015/2
Obor: Fyzika

Dvacátého května roku 1631 dobyla císařská vojska vedená hrabětem Tillym polabské město Magdeburg. Nastalo mohutné rabování, a když už nebylo co ukrást, tak se začalo vraždit. Masakr v Magdeburgu ohromil celou Evropu. Z 25 000 obyvatel Magdeburgu přežilo pouze 5000. Přežil i Otto von Guericke, který se stal v roce 1646 na dalších třicet let magdeburským starostou. Nebyla to moc klidná léta. Von Guericke však kupodivu při své nepochybně únavné funkci stihl hloubat o ničem. Tedy o prázdnu, o vakuu.

Prázdný prostor zaměstnával přední duchy od antiky. Aristoteles existenci prázdna odmítal: je-li něco „nic“, pak to nemůže existovat. Kromě toho by „nic“ nemělo být smyslově vnímatelné. Von Guericke vzal věc za jiný konec, sestrojil vakuovou pumpu a začal s prázdnem experimentovat. Předváděl nezvonící zvonky, vodu tekoucí odspoda nahoru či zvířátka marně v prázdnu zápasící o život (pár let po třicetileté válce se takové pokusy zjevně snesly a v lepší společnosti byly oblíbené i dlouho potom, viz obr. 1). Do historie se ale von Guericke zapsal především veřejnou show s magdeburskými polokoulemi.

Pan starosta nechal vyrobit dvě bronzové polokoule, které od sebe šly snadno oddělit. Po přiložení začal zevnitř vyčerpávat vzduch vakuovou pumpou. Koule najednou již nešly odtrhnout, a to ani pomocí dvou spřežení, každé o síle osmi koní. To je výmluvná demonstrace smyslové uchopitelnosti prázdna! Průběh experimentu nebyl úplně snadný. Koně byli špatně cvičeni pro hru na přetahovanou. Nebylo proto vůbec snadné přesvědčit šestnáct koní, aby zatnuli kopyta a začali tahat, když to nikam nevedlo.

Magdeburské koule držely pohromadě nárazy molekul vzduchu z vnějšku nádoby, které nebyly kompenzovány nárazy zevnitř nádoby. Myšlenka přitahování díky vytvořenému prázdnu je podmanivá a univerzální. Námořníci například dobře věděli, že dvě lodě se v přístavu nemají příliš přibližovat. Mezi plavidly totiž nejsou vlny, kdežto z boku na ně vlny narážejí. Srážka lodí je pak těžko odvratitelná.

Ženevský lékař a fyzik Georges-Louis Le Sage přišel s nápadem, že podobně by šlo vysvětlit gravitaci. Celý prostor je dle něj prostoupen pohybujícími se částicemi (corpuscules ultramondains), které narážejí na planety ze všech stran. Nárazy se vzájemně kompenzují a celkově se nic neděje. Když se ale k planetě přiblíží jiná planeta, budou se vzájemně stínit a nastane nerovnováha v nárazech z vnější a vnitřní strany. Planety se začnou přitahovat zrovna jako magdeburské polokoule či námořní plavidla. Teorie to není vůbec hloupá. Při troše snahy s ní dokážeme vysvětlit Newtonův gravitační zákon, a to jak závislost na vzdálenosti, tak na hmotnostech. Nemusíme se přitom uchylovat k poněkud okultnímu „působení na dálku“. Celá teorie skončí neslavně, když se pokusíme spočítat počet nárazů nutných pro kvantitativní souhlas s Newtonovým gravitačním zákonem. Země by se velmi rychle vypařila.

Ještě dlouho po vyvrácení přitahovaly podobné teorie zájem odborníků i učených laiků. Zmiňme vlastenecky alespoň českého neurologa Jaromíra Hrbka. Kromě své odbornosti patřil i k čelným školským managerům, byl rektorem Univerzity Palackého a také jednou z řady zvláštních postav zastávajících post ministra školství. V padesátých letech se spolu s psychiatrem Václavem Čedíkem jal testovat své hypotézy o gravitaci vrháním platinových koulí do příbramských dolů (o finanční stránku celého projektu se postaral „největší mecenáš československé vědy a kultury“, ministr informací Václav Kopecký). Své výzkumy pak Hrbek shrnul v sedmdesátých letech v knize vydané Univerzitou Palackého Radiační teorie gravitace, ve které odvážně vyvrací Einsteinovu obecnou relativitu. Vedením univerzity byl za svou práci navržen na Nobelovu cenu, návrh byl ale oslyšen.1)

Vraťme se však k prázdnu. Od dob von Guericka se technologie prázdna neustále vylepšovala. Zvážením se pak třeba dalo zjistit, že prázdno nic neváží. Pohled na vakuum jako na poctivé „nic“ ale není bez potíží. Vezměme si atom či molekulu nacházející se ve vakuu v základním stavu. Takovýto atom zůstane v základním stavu až do skonání věků. Pokud atom pošimráme světlem (tedy elektromagnetickým polem), může se ocitnout ve vzbuzeném stavu. A v něm by měl ve vakuu opět zůstat libovolně dlouho. Jenže atomy velmi rychle padají zpět do základního stavu, vyzařujíce přitom světlo. Tento děj je pro nás strašně důležitý. Nebýt této tzv. spontánní emise, tak neuvidíme Slunce, nebudou hřát kamna a nebude svítit žárovka ani svíčka.

Vysvětlení přišlo až s kvantovou teorií elektromagnetického pole. Rovnice popisující energii elektromagnetického pole umožňují pole interpretovat jako soubor (nekonečně mnoha) oscilujících částic. Když někde elektromagnetické pole není, tak se prostě tyto částice nehýbou. Jenomže kvantová mechanika nám říká, že částice se nikdy úplně zastavit nemohou. Vždy, i při nulové teplotě, se pohybují alespoň s určitou minimální energií, s tzv. energií nulového bodu. I ve vakuu tak máme elektromagnetické pole, které vyprovokuje atom ve vzbuzeném stavu k přeskoku zpět do stavu základního.

Vracíme se oklikou zpět k Aristotelovi: takzvané prázdno přece jenom není tak úplně prázdné. Zdá se, že skutečně „Natura abhorret vacuum“ („Příroda si protiví prázdno“, François Rabelais, Gargantua a Pantagruel2)). Může nás přitom pobuřovat nekonečná energie tohoto prázdna, neboť v něm kmitá nekonečně mnoho částic. Energii nulových kmitů nemůžeme využít, neboť je to energie nejnižší možná. Kvantové vakuum má přesto zajímavé důsledky. Představme si třeba dvě vodivé desky v určité vzdálenosti od sebe (jinými slovy dvě zrcadla). Zrcadla jsou nenabitá, mezi nimi nic není, a tak bychom čekali, že se také nic nestane. Elektrické pole na deskách musí být díky vodivosti nulové, a proto prostor mezi oběma deskami nemůže být domovem pro ledasjakou elektromagnetickou vlnu (nemůže v něm oscilovat každá částice). Prázdno mezi deskami je tak prázdnější než prázdno ve volném prostoru. Celková energie díky tomu poklesne tím více, čím budou desky blíže u sebe. Jinými slovy, díky poklesu energie kvantového vakua dojde k přitahování oněch dvou desek. Vše si můžeme představit také tak, že radiační tlak zvnějšku je menší než radiační tlak zevnitř desky. To je ale přesná kvantová analogie von Guerickova experimentu.

Zopakujme: dvě neutrální vodivé desky se díky nulovým kmitům vakua přitahují. S touto myšlenkou přišel v roce 1948 holandský fyzik Hendrik Casimir, když zkoumal mechanismus, jakým se přitahují koloidní částice. Casimirova síla působí v principu i mezi libovolnými jinými materiály. Není velká a projevuje se jen na krátké vzdálenosti: na vzdálenost 10 nm (což je asi stonásobek typického rozměru molekuly) vede k dodatečnému tlaku odpovídajícímu jedné atmosféře. Experimentální ověření proto nebylo snadné. S dostatečnou přesností byla Casimirova předpověď potvrzena v řadě experimentů (kupříkladu pomocí mikroskopie atomárních sil) až v devadesátých letech. Později se ukázalo, že existuje také Casimirova síla vznikající v důsledku tepelných fluktuací nebo že za určitých okolností může být tato síla i odpudivá. Můžeme tak vytvořit levitující objekt. O Casimirovu sílu bychom se měli zajímat při vytváření mikro- a nanotechnologických součástek, přitahování jednotlivých částí může vést k jejich kolapsu.

Když jsme se chtěli rozněžnit nad výjimečností Casimirova jevu, použili jsme poněkud nečistý trik. Čtenáři jsme vnutili očekávání, že dva elektricky neutrální objekty se nepřitahují. Nicméně už od dob Casimirova krajana van der Waalse víme o silách mezi zcela neutrálními částicemi. Jsou to právě van der Waalsovy síly (přesněji tzv. disperzní síly), které vedou například ke zkapalňování plynů. Chemik tyto síly vidí jako důsledek korelace mezi pohyby oscilujících nábojů v atomech, Casimir na ty samé síly nahlíží jako na projev ještě prázdnějšího prázdna v prostoru mezi částicemi. S materiálními projevy ničeho se zkrátka potkáváme docela běžně.

Poznámky

1) Pozn. red.: Čtenářům zajímajícím se o podrobnosti doporučujeme článek Ivana Úlehly O jedné divoké teorii dostupný na dml.cz/dmlcz/139586 a reakci Jaromíra Hrbka dml.cz/dmlcz/137912.

2) Ó pijáci otroci žízně! Panoši, bratříčku, nalej mi to víno, prosímtě! Po kardinálsku! Natura abhorret vacuum.

François Rabelais: Život Gargantuův a Pantagruelův, kapitola Opilá beseda, překlad Jihočeská Theléma.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201502_087-089.pdf (483 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky