Fluktuace vakua a Casimirův jev

rubrika: Populárně naučný koutek


Vakuum je prostor, ve kterém nejsou žádné elementární částice, a Casimirův jev je důsledkem toho, že tam díky kvantovým fluktuacím částice vznikají a zanikají.

 

Lucifer


casimir_effect.gifZ definice plyne, že vakuum je prostor, ve kterém není nic, a tudíž se jedná o něco, co vlastně vůbec neexistuje. A něco, co neexistuje, nemůže nic dělat, tudíž ani fluktuovat, natožpak vyrábět takové zajímavé jevy, jako je kupříkladu ten Casimirův. Nechme však filosofické disputace a podívejme se na to z úhlu pohledu kvantové fyziky. Podle klasické fyziky by totiž vakuum nejen neobsahovalo žádné částice, ale ani žádnou energii, a to tak, že neustále, což je pro kvantovou fyziku díky Heisenbergovu principu neurčitosti věc zcela nepřípustná. Takže něco, co by nemělo existovat, fluktuuje, a tím pádem může existovat. Fluktuují v něm virtuální částice. Neustále vznikají a zanikají. Tím se na moment z něčeho, co nemá žádnou energii, uvolňuje energie, což znamená, že neexistující vakuum má na moment zápornou energii. Nechme však i fyzikální disputaci a pragmaticky se podívejme, co je Casimirův jev a jak z toho plyne.

Nizozemský fyzik Hendrik Casimir si v roce 1948 v laboratoři Philips lámal hlavu tím, proč koloidní roztoky, tedy krémové emulze, jako je např. majonéza nebo nátěrová hmota, jsou tak lepkavé. V těchto tekutinách jsou přimíseny částice mikrometrových rozměrů, jež jsou provázány do jakési mřížkové matrice silami, jež tehdy nebyly známy. Dospěl k závěru, že síly působící mezi dvěma molekulami lze vysvětlit vakuovými fluktuacemi. Poté se v duchu zkusmo zeptal: Co se stane, když se proti sobě postaví v malé vzdálenosti ve vakuu dvě zrcadla?

Z kvantové fyziky plyne, že částice se chovají zároveň i jako vlny. Casimirův jev mají na svědomí virtuální fotony, které vznikají a zanikají ve vakuu. Ačkoli fotony nemají klidovou hmotnost, pohybují se však rychlostí světla a díky tomu mají energii, a tudíž i hmotnost pohybovou. Mezi dvěma zrcadly nebo jakýmikoli deskami, které nejsou nijak elektricky nabité, ale jsou blízko sebe, fluktuují fotony stejně jako kolem nich. Kvantová fyzika ovšem praví, že mezi deskami může vzniknout méně fotonů než z opačné strany, protože budou chybět ty, které mají větší vlnovou délku, než je vzdálenost mezi deskami. Vzhledem k tomu, že fotony narážejí do desek z obou stran, ale z vnější strany více, dodávají svými nárazy do desek z vnějšku více energie, což způsobí, že se desky začnou k sobě přitahovat.

Casimirova síla je jev relativistické kvantové elektrodynamiky, která popisuje elektromagnetické síly v miniaturních rozměrech. Ačkoli je tato teorie velmi srozumitelná, je obtížné vypočítat celkovou energii vakua. Důvodem je, že Casimirova síla se snižující vzdáleností prudce stoupá, takže by podle kvantové elektrodynamiky byla energie vakua nekonečně velká. Wolfgang Pauli, rakouský fyzik a nositel Nobelovy ceny, počátkem dvacátých let minulého století přemýšlel o tom, zda by energie z fluktuací vakua mohla vyvíjet gravitační sílu. Došel k závěru, že v tomto případě by poloměr vesmíru nebyl větší než vzdálenost Země-Měsíc.

Zde je vidět fundamentální problém dvou nejpevnějších pilířů teoretické fyziky 20. století, teorie relativity a kvantové fyziky. Obě teorie byly mezi tím experimentálně ověřeny a jsou dnes, po více než sto letech od svého zavedení, základem nesmírných technologických výdobytků. Podle odhadu amerického nositele Nobelovy ceny Leona Ledermana je na kvantové mechanice založeno asi čtyřicet procent amerického národního důchodu. Jde např. o tranzistory, mikroelektroniku, počítače, lasery, moderní chemii, bio- a nanotechnologie. Teorie relativity má zase na triku satelitní navigaci GPS a nyní konečně úspěšný německý systém elektronického mýta pro nákladní automobily. A přece v některých případech spolu obě teorie vůbec nespolupracují.


komentářů: 0         



Komentáře (0)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_