Foto: © asmodian / Dollar Photo Club

Casimirův jev – proč se desky ve vakuu k sobě přitahují

Heisenbergův princip neurčitosti se nevztahuje jen na měření prováděná lidmi, ale podobně jako zákony termodynamiky platí i pro přírodu jako takovou. Neurčitost způsobuje, že vesmír překypuje nekonečnou energií. Představte si v prostoru velice malý objem, něco jako skutečně maličkou krabičku. Budeme-li analyzovat, co se děje uvnitř této krabičky, můžeme učinit některé předpoklady.
Například známe s určitou přesností polohu částic nacházejících se uvnitř. Ať tak či onak, mimo krabičku být nemohou; víme, že jejich poloha je omezena na určitý objem, protože, kdyby byly mimo krabičku, nezajímaly by nás. Protože máme nějakou informaci o poloze částic, podle Heisenbergova principu neurčitosti se současně musí dostavit určitá nejistota, co se týče rychlosti těchto částic – jejich energie. A budeme-li krabičku stále zmenšovat (a tedy stále přesněji definovat polohu), o energii částic toho budeme vědět méně a méně.
Tento argument platí všude ve vesmíru – uprostřed zeměkoule i v nejhlubším vakuu vesmíru. Znamená to,
že pro dostatečně malý objem, dokonce i ve vakuu, máme určitou nejistotu o množství obsažené energie. Výraz neurčitost ve vztahu k energii obsažené ve vakuu působí ovšem směšně. Vakuum přece přímo ze své definice neobsahuje nic – žádné částice, žádné světlo, prostě nic. Z toho vyplývá, že by v sobě nemělo mít ani žádnou energii. Podle Heisenbergova principu neurčitosti však prostě v žádném okamžiku nemůžeme vědět, kolik se v nějakém objemu vakua skrývá ve skutečnosti energie. V malém objemu vakua musí tedy množství energie stále fluktuovat (měnit se, kolísat).
Jak ale vůbec může vakuum, ve kterém nic není, obsahovat nějakou energii? Odpověď pochází z jiné rovnice: Einsteinova slavného vztahu E = mc2. Tento slavný vzorec uvádí do vzájemného vztahu hmotnost a energii: hmotnost předmětu je ekvivalentní jistému množství energie.

Částicoví fyzikové ve skutečnosti neměří hmotnost elektronu na kilogramy nebo libry ani na jiné obvyklé váhové jednotky. Říkají, že klidová hmotnost elektronu je 0,511 MeV (milionů elektronvoltů) – tedy jakýchsi kousků energie. Ve vakuu je fluktuace energie totéž jako fluktuace množství hmoty. Částice tak trvale kmitají mezi bytím a nebytím, vakuum není nikdy úplně prázdné. Místo toho překypuje virtuálními částicemi; v každém bodě prostoru jich vesele vyskakuje a zase mizí nekonečné množství.
Právě to je ona energie nulových kmitů, nekonečno přítomné ve vzorečcích kvantové teorie. Přesně řečeno, energie nulových kmitů nemá žádné omezení. Podle rovnic kvantové mechaniky tak v prostoru uvnitř našeho čajového hrnku sídlí více energie, než je ve všech uhelných dolech, ropných ložiscích a jaderných zbraních na celém světě.
Obsahuje-li rovnice nějaké nekonečno, fyzikové obvykle předpokládají, že někde došlo k chybě; nekonečno totiž nemá fyzikální význam. Energie nulových kmitů představuje něco podobného; většina vědců ji naprosto ignoruje.
Jednoduše předstírají, že její hodnota je nulová, i když dobře vědí, že se ve skutečnosti jedná o nekonečno. Je to vhodný sebeklam a obvykle ničím neškodí, nicméně někdy nastanou chvíle, kdy je na závadu. V roce 1948 si dva holandští fyzikové, Hendrick B. G. Casimir a Dik Polder, jako první uvědomili, že energii nulových kmitů nelze ignorovat ve všech případech. Oba vědci studovali síly působící mezi atomy a přitom zjistili, že výsledky jejich měření neodpovídají původním předpokladům. Když Casimir hledal vysvětlení tohoto nesouladu, uvědomil si, že za vše může síla nicoty.
Tajemství Casimirovy síly souvisí s podstatou vlnění. Už ve starověkém Řecku si Pythagoras povšiml zvláštního chování vln, které probíhaly nahoru a dolů strunou – některé noty byly přitom dovoleny a jiné zakázány. Když Pythagoras brnknul na strunu, vydala struna čistý zvuk; takové tóny jsou označovány jako základní. Když pak jemně položil prst doprostřed struny a zabrnkal znovu, vydala struna jiný příjemný jasný tón, tentokrát oproti tónu základnímu o oktávu vyšší. Třetina délky struny dolů odpovídala další pěkné notě. Pak ale Pythagoras zjistil, že ne všechny tóny znějí podobně libě. Pokud se jeho prst dotkl struny na náhodném místě, vydala jasný zvuk jen zřídka. Na struně je možno hrát jen určité noty, většina jich je vyloučena.
Vlny hmoty se od vln na struně příliš neliší. Právě tak, jako na kytarové struně dané délky není možné zahrát libovolnou notu (u některých vln je vyloučeno, aby se na struně objevily), tak i v případě vln odpovídajících některým částicím je vyloučeno, aby se nacházely uvnitř nějakého vymezeného prostoru. Snad to bude jasnější z následujícího příkladu: když dvě kovové desky přiložíte těsně k sobě, hned uvidíte že mezi ně není možné vtěsnat všechny druhy částic. Půjde to jen u částic, jejichž vlnové délky
odpovídají rozměrům štěrbiny.
Casimir zjistil, že zakázané délky vln ovlivní energii nulových kmitů vakua, protože úplně všude dochází k přeskokům částic mezi bytím a nebytím. Pokud těsně k sobě přiložíme dvě kovové desky a některé z částic kmitajících mezi existencí a neexistencí nejsou mezi tyto desky vpuštěny, pak se na vnějších stranách desek musí nutně nacházet více částic než uvnitř. Na vnější strany desek se tlačí neubývající množství částic a protože tento tlak není plně kompenzován zevnitř (kde je částic méně),
dojde k ještě většímu sražení desek. Tento jev nastane dokonce i v největším vakuu. Před námi je síla vakua, energie vyrobená z ničeho – a právě toto je podstatou Casimirova jevu.
Ačkoliv se na první pohled zdá, že Casimirova energie – jakási tajemná přízračná síla vznikající z ničeho – patří do říše science fiction, existuje i ve skutečnosti. Je to energie nepatrná a velmi obtížně detekovatelná, nicméně fyzikovi Stevenu Lamoreauxovi se ji v roce 1995 podařilo změřit. Lamoreaux položil dvě desky pokryté vrstvou zlata na velice citlivé měřicí zařízení a určil, kolik energie je potřeba k tomu, aby Casimirova síla působící mezi deskami byla neutralizována. Odpověď – zhruba 1/30 000 váhy mravence – souhlasila s Casimirovou teorií. Lamoreaux skutečně změřil sílu, kterou vyvíjí prázdný prostor.

tento text je úryvkem z knihy
Charles Seife: Nula – životopis jedné nebezpečné myšlenky
Argo a Dokořán, nové vydání 2019
O knize na stránkách vydavatele

obalka_knihy

Věta o chlupaté kouli – matematika i pro nanodrátky

Pokud bude koule pokryta chlupy a my se je budeme snažit sčesat tak, aby všechny …

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close