Thread by @Mitokochan

Ahoj a zdravím u pokračování povídání o ničem! Minule jsme tak nějak projeli historii toho, jak lidi začali objevovat vakuum, jak se dneska hodí ve spoustě aplikací a v experimentální praxi. Skončili jsme u toho, že nemusíme koukat do vesmíru, abychom viděli nicotu.

A to proto, jelikož i my sami a vlastně veškerá hmota okolo nás sestává z mnohem větší části z ničeho, než z něčeho. Jak se ale na “čisté vakuum” dívá moderní fyzika? K tomu je potřeba zabrousit do subatomární fyziky a z té si vysvětlit několik pojmů.

Fyzikální teorie, která se touto otázkou dnes zabývá, se nazývá kvantová teorie pole. Je to velice rozsáhlý a složitý obor, který pracuje s tzv. poli, jak název napovídá. Co je to pole?

Nejlépe si to asi představíme v případě elektromagnetismu. Jestli si ještě vzpomenete na hodiny fyziky, tak si určitě vybavíte obrázek, který vypadá nějak takhle:

A možná si vzpomenete, že vám učitelé říkali, že ty čáry, co spojují jednotlivé náboje, se nazývají siločáry a podél nich by se pak pohyboval nějaký náboj, který by se v tomto poli ocitl. Takže pole nám v každém bodě v prostoru poskytuje nějakou informaci.

Buď o tom, kam by se pohybovaly náboje, které by se v tomto poli objevily, ale můžou poskytovat i spoustu jiných informací. Třeba v případě, který vidíte na obrázku, získáme informaci o tom, jaké je rozložení teploty na našem území.

Taková mapa ukazuje nějaké “teplotní” pole, protože v každém bodě povrchu ČR nám dává informaci, jaká tam je právě teplota. V kvantové polní teorii existuje několik polí, které všechny odpovídají nějaké subatomární částici.

Takže máme vlastní pole pro kvarky, pro elektrony, pro neutrina a pro všechny další subatomární částice. Samotné částice se pak berou jako “excitace daného pole”. Co to znamená?

Excitace znamená něco jako vybuzení, kdy se z jednoho objektu přenese energie na druhý objekt. Objekt, který energii přijal, se pak dostane na vyšší energetickou hladinu a říkáme o něm, že je v excitovaném stavu.

Zajímavý závěr o vakuu učinil Paul Dirac, který rozšířil Schrödingerovu rovnici tak, aby zohledňovala i speciální relativitu. Schrödingerova rovnice popisuje kvantově mechanické objekty a jejich chování, Dirac ji rozšířil a objevil zajímavou věc.

Objevil, že rovnici řeší i objekty, které mají zápornou energii a zavedl hypotézu, že vakuum je ekvivalentní situaci, kdy jsou všechny stavy s negativní energií zaplněny. Dále hypotetizoval, že pokud je jeden takový stav s negativní energií neobsazen, vznikne díra.

Taková díra by navenek měla pozitivní náboj a měla by stejnou hmotnost, jako elektron. O čtyři roky později byl objeven pozitron - antičástice elektronu a potvrdilo se tak, že Diracovy částice skutečně existují. Hypotéza byla na jeho počet pojmenována Diracovo moře.

Tato hypotéza o vakuu jako nekonečném moři záporných energetických hodnot je dnes do jisté míry překonána, je to však stále validní model v některých oblastech fyziky, např. ve fyzice kondenzovaných látek.

Zpět však ke kvantové teorii pole. K tomu, abychom si vysvětlili, jak se na vakuum dívá tato teorie, potřebujeme znát ještě Heisenbergův princip. Nepochybuju, že jste o něm už slyšeli, je totiž dost populární a existuje na něj hodně memů.

V tý nejznámější formě nám říká, že přesnost, se kterou můžeme znát pozici a hybnost nějakého kvantového objektu, je limitovaná. Vysvětlím. Představte si dvě auta, která mají puštěné blikačky. Začnou blikat ve stejný moment a vy budete chvíli stát a pozorovat je.

Pokud budete blikání pozorovat jen pár sekund může se vám zdát, že blikají synchronizovaně. Ale pokud budete auta pozorovat déle a déle, zjistíte, že možná tak synchronizovaná nejsou, že vlastně frekvence blikání obou aut nejsou vůbec synchronní.

Co se snažím říct je, že odchylku v blikání poznáte až po nějaké delší době. Pokud se vás někdo zeptá po třech sekundách, jestli jsou frekvence blikání obou aut synchronní nebo ne, nemáte možnost, jak to zjistit. Potřebujete delší čas na to, abyste měli dostatečnou přesnost.

Čím déle však budete auta pozorovat, tím bude menší nejistota/větší přesnost v určení frekvencí. To, co tady teď popisuju, je vlastně princip neurčitosti, který však porovnává frekvenci a čas. Říká nám, že nemůžeme libovolně přesně porovnat frekvence za libovolně krátký čas.

No a v případě Heisenbergova principu je to podobná záležitost, akorát místo frekvence blikání a času pozorování tam je hybnost a poloha nějakého kvantového objektu. Tak jo, já myslím, že to pro dnešek stačí - příště se tedy konečně dostaneme ke kvantovým fluktuacím.

To ale bude nejdříve za dva týdny, protože příští týden si beru volno - budu totiž zapíjet buď svůj úspěch, nebo svůj žal, podle toho, jak se státnice vyvedou. Opět děkuji všem zájemcům o moje vlákna, doufám, že vás baví a těším se na vás za dva týdny. ❤️