Student World

pravidelné páteční „přetištění“ staršího článku

Vakuum je prázdný prostor. Často je chápeme jako synonymum slova „nic“. To byl hlavní důvod, proč pojem „vakuová energie“ zněl tak divně, když jej Einstein do fyziky poprvé zavedl. Ovšem fyzici se díky pokrokům na poli částicové fyziky v posledních třiceti letech na vakuum začali dívat zcela jinak. Výzkum vakua neustále pokračuje, a čím víc o něm víme, tím složitěji i úchvatněji vypadá.

Podle moderních částicových teorií je vakuum fyzikálním objektem; může být nabité energií a existovat v paletě rozličných stavů. S trochou fyzikální terminologie řečeno – o těchto stavech se hovoří jako o různých vakuích. Druhy elementárních částic, jejich hmotnosti a interakce jsou určeny podložním vakuem. Vztah mezi částicemi a vakuem je podobný vztahu mezi zvukovými vlnami a materiálem, jímž se šíří. Typy vln a rychlosti jejich pohybu se mění v závislosti na použitých materiálech.

My žijeme ve vakuu s nejnižší možnou energií, v pravém vakuu. Fyzici nasbírali hodně poznatků o částicích obývajících tento druh vakua i o silách, jež mezi nimi působí. Například silná jaderná síla váže protony a neutrony do atomových jader; elektromagnetická síla drží elektrony na jejich drahách kolem atomových jader a slabá jaderná síla je zodpovědná za interakce lehoučkých částic zvaných neutrina. Jak už jejich jména napovídají, jsou tyto tři druhy interakcí od přírody různě silné. Elektromagnetická interakce je středně silná, silná nejsilnější a slabá nejslabší.

Vlastnosti elementárních částic se mohou od sebe lišit v závislosti na typu vakua. Nevíme, kolik vakuí celkem existuje, ale podle částicové fyziky kromě našeho pravého vakua nejspíše existují nejméně dvě další, symetričtější, a částice a síly, které v nich sídlí, nejsou natolik rozdílné. Prvním z nich je elektroslabé vakuum, v němž elektromagnetická a slabá interakce jsou stejně silné a projevují se jako součásti jediné sjednocené síly. V tomto vakuu mají elektrony nulovou hmotnost a nelze je odlišit od neutrin. Narážejí do sebe rychlostí světla a je nemožné, aby se staly součástí atomů. Není divu, že v tomto typu vakua nežijeme.

Dalším druhem vakua je vakuum velkého sjednocení, vakuum, v němž jsou sjednoceny tři částicové interakce. V tomto vysoce symetrickém stavu jsou neutrina, elektrony i kvarky (z nichž se skládají protony a neutrony) vzájemně zaměnitelné. Zatímco elektroslabé vakuum docela jistě existuje, existence vakua velkého sjednocení je spornější. Částicové teorie, z nichž jeho existence plyne, jsou z teoretického hlediska přitažlivé, ale týkají se extrémně vysokých energií a observační důkazy jsou nedostačující a nepřímé.

Každý krychlový centimetr elektroslabého vakua nese obrovskou energii, díky Einsteinovu principu ekvivalence hmoty a energie tedy i velkou hmotnost – asi 10 milionů bilionů tun (tedy zhruba hmotnost Měsíce). Když fyzici čelí takto kolosálním číslům, raději používají zkrácený zápis pomocí exponenciálního značení. Bilion je jednička následovaná 12 nulami; zapisujeme jej jako 10 na 12. A 10 milionů bilionů je jednička následovaná 19 nulami; hmotnostní hustota elektroslabého vakua je tedy 10 na 19 tun na krychlový centimetr. Hmotnostní hustota vakua velkého sjednocení je ještě vyšší, a to 10 na 48krát. Netřeba říkat, že tato vakua jsme v laboratořích nikdy nepřipravili: byly by k tomu potřeba energie daleko přesahující schopnosti současných technologií.

Ve srovnání s těmito enormně vysokými čísly je energie normálního pravého vakua nepatrná. Celá léta jsme si mysleli, že je přesně nulová, ale poslední pozorování ukazují, že naše vakuum má malou kladnou energii, jež je ekvivalentní hmotnosti tří vodíkových atomů na krychlový metr. (Význam tohoto objevu si objasníme v 9., 12. a 14. kapitole.) Vysokoenergetickým vakuím se začalo říkat „falešná“, jelikož na rozdíl od toho našeho jsou nestabilní. Po velice krátkém časovém úseku, typicky nepatrném zlomku sekundy, se falešné vakuum rozpadá, mění se ve vakuum pravé a nadbytečná energie se uvolňuje v podobě záplavy částic. Na podrobnosti procesu rozpadu vakua si posvítíme v následující kapitole.

Tento text je úryvkem z knihy
Alex Vilenkin: Mnoho světů v jednom, Paseka 2008, 232 stran, 269 Kč

autor