Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pokud se vrátíme do prázdného kouta vesmíru, uvidíme třeba, že poránu je prázdný a někdy později znovu. Na časovém intervalu opravdu nezáleží. Důležité je, že začnete s prázdnem a skončíte s prázdnem, ale co se stane mezi tím, můžeme jen hádat. Vakuum klidně mohlo změnit kostým, stejně jako to udělal higgs, což umožnilo vznikání a zanikání virtuálních částic. Tyto virtuální částice zanechávají svou stopu na vakuu stejně jako na higgsovi. Dávají mu hmotnost. Dávají mu energii – hodně energie.
Abychom zjistili, kolik energie se ve vakuu skrývá, musíme vakuum rozbít na malé kousky jako velkolepou kosmickou skládačku v trojrozměrném prostoru. Jak uvidíme, velikost kusů radikálně ovlivní výsledek. Kdyby nás zajímala jen fyzika viditelná pouhým okem, mohli bychom kousky nastavit jako kostičky s rozměrem pod milimetr. Ale měli bychom být ambicióznější. Když o tom Pauli u oběda přemýšlel, nastavil velikost dílků skládačky na hodnotu klasického poloměru elektronu, na několik femtometrů. To je mnohem menší vzdálenost, než byste kdy mohli uvidět pouhým okem, zhruba desettisíckrát menší než atom.
V Pauliho době to bylo přesně na hranici fyziky, na hranici toho, co se snažili pochopit.
Jako vždy v relativistickém světě platí, že s nejkratší vzdáleností je spojen i nejkratší čas. Pokud mají naše kousky skládačky několik femtometrů jako Pauli v představě, nejkratší čas, který bychom mohli reálně uvažovat, je kolem setiny biliontiny nanosekundy. To je nepředstavitelný čas, za který jednou z našich krychliček projde světlo. Použijeme ho jako mez rychlosti, s jakou virtuální částice vyskakují ven z vakua a zpět – nebereme v úvahu částice, které vyskakují a mizí rychleji, jak by to odpovídalo skládačce s menšími kousky. Toto prchavé chvění plní vakuum kvantovou energií, stejně jako tomu bylo u higgse. Částice, které se vynořují a mizí nejrychleji, plní vakuum největší energií, ve svých zběsilých vysokofrekvenčních skocích na scénu nechávají tolik energie, kolik dovolí princip neurčitosti. To vychází na přibližně pět biliontin joulů2 pro každou z našich malých kostiček. To se nemusí zdát moc, ale pamatujte na to, že krychličky jsou malé, takže hustota je nebezpečně vysoká. V každém kávovém šálku prázdného prostoru byste pak našli téměř 100 tisíc bilionů bilionů joulů, dostatek energie na to, aby vyvařila všechny oceány Země.
Ale tady bychom se neměli zastavit.
Je to téměř století, co Pauli provedl svůj osobitý výpočet, a od té doby jsme se naučili dívat se mnohem hlouběji. Srážky částic v CERNu posunuly hranice desettisíckrát dále, než si Pauli představoval. Hranice experimentální fyziky nyní leží v neuvěřitelně malé vzdálenosti kolem 10-19 metrů. Pokud uděláme naše kousky skládačky tak malé, můžeme uvažovat o vyskakování virtuálních částic ven a do vakua každou miliardtinu miliardtiny nanosekundy. Vakuum nadále požírá veškerou tuto kvantovou energii v obrovském množství. Prázdný kávový šálek by nyní měl dostatek energie vyhodit do povětří celou planetu ve stylu Star Wars, rozbít ji na kusy a vypálit je jako planetární šrapnely vysokou rychlostí do všech koutů vesmíru. A mohl by to udělat více než 100miliardkrát a zničit každou planetu v galaxii.
Ale ani u toho bychom se neměli zastavit.
Srážky v CERNu představují pouze hranici experimentální fyziky, omezené dostupnými finančními prostředky a technologií. Ale fyzika samotná tím nekončí. Jde dál. Vede nás až na pokraj, do bodu, kde se jakákoliv představa o prostoru a čase začíná rozpadat. Kousky skládačky by vlastně měly být tak malé jako Planckova délka, více než milion miliardkrát menší než hranice našich experimentů. Důsledky pro vakuum jsou děsivé. Částice vyskakují z prázdného prostoru v každém Planckově čase, nebo jinými slovy, každých 10-35 sekund. Kvantové energie prostředí se stávají skutečně monstrózní a vakuum je pohlcuje s vyhladovělou škodolibostí. V každém litru prázdného prostoru bychom měli najít googol gigajoulů energie. Páni! V každém kávovém šálku vakua by měl být dostatek energie zničit každou planetu v pozorovatelném vesmíru znovu a znovu a znovu a znovu, vymazat všechno více než bilion bilionů bilion bilionkrát.
Děsí vás vědomí, že tyto olbřímí energie mohou být všude kolem vás, a dokonce i uvnitř vás, v prázdném prostoru mezi vašimi atomy? Jak jste s takovým monstrem v sobě mohli přežívat tak dlouho? Pravdou je, že bez gravitace se není čeho bát. Nezáleží na tom, kolik energie se skrývá ve vakuu, nemůžeme z ní udělat zbraň, vyvíjející impozantní síly dostatečné na zničení planet. Ve skutečnosti nemůžeme energii vakua vůbec použít. Je to proto, že je všude stejná. Abyste mohli uskutečnit něco vzrušujícího, potřebujete energetické rozdíly, potřebujete gradienty – ale se skutečnou základní energií vakua prostě žádné nejsou. Energie prázdného prostoru je nulový bod, základní čára, od které se měří vše ostatní. Nedá se použít k tomu, aby se někde víc zatáhlo nebo přitlačilo. Jednoduše se vás nemůže dotknout, ne bez gravitace.
Ale s gravitací energie prázdna zdivočí.
S takovým množstvím energie v prázdném prostoru by byl vesmír poslouchající Einsteinovy zákony rozdrcen vlastní vahou. Nejen že by „nesahal ani k Měsíci“, jak prohlásil Pauli, nesahal by ani k jedinému atomu. Byl by to rozbitý prostoročas, sbalený a zkroucený, v libovolném směru sotva přesahující Planckovu délku.
Einstein nás naučil, že v gravitaci ve skutečnosti hraje roli energie, ne hmotnost. Foton ze vzdálené hvězdy oblétávající Slunce zahýbá směrem k němu. Slunce nepřitahuje jeho hmotnost, protože foton žádnou nemá. Přitahuje jeho energii. V Einsteinově světě všechny formy energie tančí gravitační valčík. Všechno musí tančit: Slunce, planety, vy, já, mimozemský jezevec, monstrum černé díry a dokonce i vakuum samo.
Energie vakua je všude, neměnná v prostoru a neměnná v čase. Proto se jí někdy říká kosmologická konstanta. Jako každá energie zakřiví prostoročas, ve kterém žije. Když je energie pozitivní, kolem každého z nás se vytvoří obzor – de Sitterův horizont, jak jsme viděli v kapitole „Grahamovo číslo“, představující okraj toho, kam kdy můžeme dohlédnout. Čím více energie je ve vakuu skryto, tím blíže je horizont a menší náš svět. Pokud bychom odhadli energii vakua pomocí Pauliho skládačky, horizont by byl vzdálen asi 237 kilometrů. Vesmír by nesahal nejen k Měsíci, ale ani k Mezinárodní vesmírné stanici. S tím, jak vylepšujeme náš odhad – jak kousky naší skládačky stále zmenšujeme – se horizont přibližuje.
Mají-li kousky skládačky velikost Planckovy délky, je horizont těsně u nás, sotva Planckovu délku daleko. To je vesmír poražený prázdnotou, rozdrcený a zmačkaný tíhou ničeho.
Není to náš vesmír.
Tento text je úryvek z knihy
Antonio Padilla: Fantastická čísla a kde je nalézt
Kosmická výprava od nuly k nekonečnu
Argo a Dokořán 2024
O knize na stránkách vydavatele
Matematika v kvantovém světě umožňuje rozložit nulu neboli vakuum. (rozložit!, ne dělit!). Celou situaci pak můžeme interpretovat, že vlastně existuje pole tmavé energie, lokálně neustále proměnlivé ze kterého se rodí a do kterého zanikají realné objekty.