Nič, teda prázdno, má z rôznych uhlov pohľadu odlišné formy. Keď si predstavíme škatuľu, ktorá je úplne prázdna, v klasickej fyzike sa táto prázdnota javí ako nulová energia a nulová aktivita. Keď sa však na prázdnu škatuľu pozrieme optikou kvantovej mechaniky, odhalí sa nám subatomárny svet, ktorý je v neustálom pohybe.
Koncept kvantovej mechaniky opisuje limit presnosti merania fyzikálnych veličín. Zdroj: iStock/Jian Fan
Aby sme pochopili, prečo nič nemôže zostať v pokoji, musíme sa pozrieť na Heisenbergov princíp neurčitosti, formulovaný nemeckým fyzikom Wernerom Heisenbergom. Tento kľúčový koncept kvantovej mechaniky opisuje limit presnosti merania fyzikálnych veličín. Zameriava sa na schopnosť merania pozície a hybnosti častice. Čím presnejšie zmeriame jednu veličinu, tým nepresnejšie zmeriame tú druhú.
Ako príklad si predstavíme hojdačku. V klasickom svete môžeme hojdačku zastaviť v jej najnižšom bode. Ak sa však pokúsime zastaviť „kvantovú hojdačku“, jej hybnosť sa stane veľmi neistou. Začne sa „chvieť“. Táto zvyšná energia sa nazýva energia nulového bodu. Znamená to, že každé pole vo vesmíre neustále vibruje, aj keď v okolí nie sú žiadne častice. Tieto vibrácie sa nazývajú kvantové fluktuácie.
Kvantové fluktuácie sú dočasné náhodné zmeny množstva energie v bode prázdneho priestoru, spôsobené Heisenbergovým princípom neurčitosti. Predstavujú neustály vznik a zánik virtuálnych párov častica – antičastica vo vákuu. Tieto fluktuácie sú základom kvantovej teórie poľa a majú merateľné účinky na fyzikálne systémy.
Až donedávna boli tieto fluktuácie pre fyzikov prevažne teoretickým problémom. Vedci vedeli, že existujú, pretože spôsobujú merateľné účinky, ako je Casimirov jav. Ide o jav, kde sú dve kovové platne vo vákuu tlačené k sebe týmito virtuálnymi pármi častíc – antičastíc (fluktuáciami), hoci v skutočnosti by sa nemali silovo ovplyvňovať.
Vzniknuté kladne nabité ióny sa potom v dôsledku elektrostatického odpudzovania rozletia od seba obrovskou rýchlosťou. Po rozletení iónov vedci zmerali, kam tieto jednotlivé kusy dopadli. Zdroj: iStock/Jian Fan
V štúdii, publikovanej v časopise Science, sa výskumníkom podarilo tieto fluktuácie zachytiť, a to v 11-atómovej molekule 2-jódpyridínu. Pomocou röntgenového lasera s voľnými elektrónmi sa im podarilo vytvoriť tzv. Coulombovu explóziu. Pri tomto fyzikálnom procese zbaví intenzívne elektrické pole, ako napríklad laser, atómy alebo molekuly valenčných elektrónov. Vzniknuté kladne nabité ióny sa potom v dôsledku elektrostatického odpudzovania rozletia od seba obrovskou rýchlosťou. Po rozletení iónov vedci zmerali, kam tieto jednotlivé kusy dopadli.
Zistili, že rozletené atómy nevibrujú náhodne, ale sa pohybujú vo špecifických vzoroch. Ak by mala molekula pevnú a stabilnú štruktúru, po zasiahnutí laserom by všetky kúsky všetkých molekúl vyleteli presne rovnakými smermi. Z dôvodu kvantového chvenia (fluktuácií) je však každá jednotlivá molekula v momente, keď ju laser zasiahne, zachytená v trochu inej polohe. Jej atómy sa neustále pohybujú v synchronizovaných vlnách mimo roviny.
Kvantové fluktuácie tak odhaľujú neviditeľnú silu, ktorá riadi fyzikálny svet. Ich efekt sa môže prejavovať v rôznych situáciách.
- Chemické reakcie: fluktuácie môžu posilňovať alebo oslabovať vodíkové väzby, ktoré držia štruktúru našej DNA.
- Skupenstvá hmoty: fázové prechody (ako napríklad topenie ľadu) spravidla považujeme za výsledok zmeny teploty. Pri teplotách blízkych absolútnej nule dochádza ku kvantovým fázovým prechodom. Tu sú to práve tieto kvantové fluktuácie, ktoré náhle premenia materiál z vodiča na izolant alebo do stavu supravodivosti.
- Tvary molekúl: aj tie najsymetrickejšie molekuly, ako napríklad metán, sú v skutočnosti mierne krivé, pretože ich atómy neustále kolíšu od svojich ideálnych polôh.
Novým poznatkom modernej fyziky je, že vákuum obsahuje stopy všetkého, čo by mohlo existovať. Je to fluktuujúce pozadie, ktoré ovplyvňuje každú silu a časticu vo vesmíre. Aj keď si predstavíme úplne prázdny priestor, musíme si uvedomiť, že v skutočnosti prázdnym nie je. Vibruje energiou neviditeľných častíc a udržiava atómy v neustálom pohybe.
Zdroje: Science, Quanta Magazine, Vševedko
(RR)
