O ničem aneb vakuum současnosti

Petr Kulhánek, 25. srpna 2006

Torricelliho experimenty v roce 1644.

Absolutní prázdnota se zcela vymyká lidským představám a člověk pociťuje bázeň, strach a respekt z toho, že by někde nebylo vůbec nic. Okamžitě se vkrádají myšlenky typu: A jak to „nic“ vypadá? Jaké má vlastnosti? Strach lidí z prázdnoty (horror vacui) poprvé do své filosofie zahrnul Aristoteles (384-322 př.n.l.). V roce 1644 konal Evangelista Torricelli (1608-1647) experimenty se rtutí. Do různých trubic naléval rtuť, poté je uzavřel prstem, otočil a ponořil do větší nádoby se rtutí. Sloupec rtuti poklesl na cca 76 cm a nad rtuťovým sloupcem se objevil malý prázdný prostor. Torricelliho interpretace byla správná: 1) atmosféra má určitou tíži a tou vytlačí rtuťový sloupec; 2) svět nemá až tak úplný strach z prázdnoty, nad rtuťovým sloupcem nic není. Jaký je dnešní pohled na tuto prázdnotu? A jak vůbec dnes chápeme vakuum?

Horror vacui podruhé aneb honba za éterem

Klasická mechanika formulovaná Isaacem Newtonem v 17. století popisuje pohyb těles za pomoci pohybových rovnic, ve kterých je čas a prostor oddělen od těles. Ta se pohybují v prázdném prostoru, který existuje mimo ně a v čase, který plyne nezávisle na nich. Síla působící na tělesa je chápána jako matematický předpis umožňující výpočet správných drah pohybujících se těles. Definice pojmu síly ovšem naráží na zásadní problémy.

Klasická teorie elektromagnetického pole formulovaná J. C. Maxwellem, O. Heavisideem a H. Hertzem postupuje obdobně. Využívá obtížně definovatelných elektrických a magnetických polí, které je možné určit z Maxwellových rovnic. Teorie však neřeší vztah prostoru a času k polím ani k částicím, která pole generují. Z Maxwellových rovnic plyne možnost existence elektromagnetických vln šířících se bez přítomnosti elektrických nábojů. Vlny se mohou šířit prázdným prostorem, vakuem. Jako bumerang se vrací zpět odvěký odpor člověka k prázdnému prostoru. Někteří fyzikové proto zavádějí éter, jakési podivné prostředí, kterým se elektromagnetické vlny mají šířit. Maxwellova teorie však éter nepotřebuje, vlny se podle ní mají šířit rychlostí světla nezávisle na pohybu zdroje, což není možné v přítomnosti éteru. Nezávislost rychlosti světla na pohybu zdroje či pozorovatele potvrzuje řada experimentů a konstrukce éteru dostává smrtelnou ránu.

Jenže jak je možné, aby se rychlost šíření světla neskládala s rychlostí zdroje? Albert Einstein nachází řešení a v roce 1905 vytváří speciální teorii relativity. Vzdálenosti a časové úseky v ní závisí na pohybu těles a na volbě souřadnicového systému. Poprvé v historii přestává být prostor a čas absolutní a oddělený od pohybujících se těles. Albert Einstein jde však ještě dále. V roce 1916 zveřejňuje obecnou relativitu, geometrickou teorii gravitace. Ta se již neomezuje jen na inerciální souřadnicové soustavy a prostor a čas v ní vytvářejí sama tělesa. Každé těleso svou přítomností zakřivuje čas a prostor kolem sebe a v tomto pokřiveném světě se pohybují tělesa po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikáchGeodetika – nejrovnější možná dráha v zakřiveném časoprostoru. Po této dráze se pohybují všechna volná hmotná tělesa bez rozdílu . Pojem síly jako mávnutím proutku mizí, nahrazuje ho zakřivený časoprostor. Časoprostor navíc existuje jen v přítomnosti těles, která ho sama vytvářejí. Bez nich pojem času a prostoru nemá smysl. Prázdnoty se již nemusíme bát, prostor bez těles neexistuje.

Nekomutující svět kvantové teorie

Na počátku 20. století se kromě obecné relativity také objevila kvantová teorie. Zatímco se obecná relativita stala novou teorií gravitace, kvantová teorie správně popsala zbývající tři interakce, elektromagnetickou, silnou a slabou. Základem kvantové teorie je nekomutativnost, AB není totéž, co BA. Jde o principiální vlastnost přírody, například měření polohy částice a následné měření hybnosti dá jiný výsledek, než měření provedená v opačném pořadí. Sám akt měření narušuje stav těles a tím ovlivní naměřené hodnoty. Přímým důsledkem nekomutativnosti světa na mikroskopické úrovni jsou relace neurčitosti. Čím přesněji je dána poloha, tím méně přesně poznáme hybnost a naopak. Svět je jakoby kvantově rozmazán. Relace neurčitosti platí v prostorové i časové oblasti:

Δx ·Δp ≥ h/4π,

Δt ·ΔE ≥ h/4π.

Relace neurčitosti v časové oblasti například znamenají, že pokud elektron v atomárním obalu přeskočí mezi dvěma hladinami v konečném čase Δt, vyzářený foton bude mít nepřesnost energie ΔE a výsledná spektrální čára nebude nikdy ostrá. Relace neurčitosti jsou principiálním omezením našich možností poznatelnosti stavu těles a mají zajímavé důsledky. Pokud budeme ochlazovat krystalickou látku, pohyb iontů bude stále menší a menší. Jejich polohy v krystalové mříži budou stále přesněji určeny, což povede k neurčitosti v jejich hybnosti. Pohyb proto nemůže nikdy ustat. I při absolutní nule vykonávají ionty tvořící krystaly tzv. nulové kmity. Obdobná je situace pro elektromagnetická pole ve vakuu. Čím přesněji známe hodnotu intenzity pole, tím méně přesně známe odpovídající hybnost (jde o tzv. zobecněnou hybnost přidruženou k danému poli). Výsledkem je, že střední kvadratické fluktuace polí ve vakuu nikdy nemohou být nulové. To se projevuje neustálým tvořením a zanikáním elektron-pozitronových či jiných párů. Jakoby z ničeho vznikne pár částice a antičástice a po krátké době zanikne. Doba existence tohoto virtuálního páru musí být kratší, než je dáno relacemi neurčitosti v časové oblasti, Δt < h / (4πΔE). Pojem vakua jako prázdného prostoru ztrácí svůj smysl. I prázdnota je vyplněna virtuálními páry částic a antičástic, které sice nemůžeme nikdy přímo pozorovat, ale nepřímo způsobují polarizaci vakua a nepatrné posuvy spektrálních čar (tzv. Lambův posuv).

Podobně jako při absolutní nule neustává pohyb částic, tak ve vakuu není úplně prázdno. Přítomnost nenulových středních kvadratických fluktuací polí, virtuálních párů částice-antičástice a dále polí zodpovědných za narušení základních přírodních symetrií činí z vakua netriviální dynamický systém. Vakuum proto dnes chápeme jako stav s nejnižší možnou hodnotou energie.

Axionové experimenty

Narušení P symetrieP invariance – Symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru (P = Parity). O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60. bylo v přírodě poprvé pozorováno v roce 1957 a narušení CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali J. V. Cronin a V. Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. v roce 1964. V obou případech šlo o narušení ve slabé interakci. Standardní model elementárních částic ale předpovídá narušení CP symetrie i v silné interakci, které nebylo nikdy pozorováno. To lze vysvětlit zavedením dodatečné globální symetrie (tzv. Peccei-Quinnovy symetrie), která je v přírodě narušena pomocí axionůAxion – málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s narušením CP symetrie v silné interakci. Navržen byl Frankem Wilczekem v roce 2004. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. – velmi lehkých bosonůBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony, gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu. s nulovým spinemSpin – vlastní rotační moment částice. Přirozeným způsobem se skládá s momentem hybnosti. Každá částice s nenulovým spinem se chová jako malý magnetický dipól μ, který reaguje na vnější magnetická pole. Původ spinu je v symetrii rovnic vzhledem k Lorentzově transformaci., interagujícími s běžnou látkou jen slabou interakcí. Axiony jsou žhavými kandidáty na záhadné částice temné hmoty, která tvoří 23% hmoty a energie ve vesmíru. Axiony jsou v silném magnetickém poli B₀ schopny dvoufotonové interakce, která může být popsána dvěma typy hustoty Lagrangeovy funkce (v jednotkách c = 1)

L₁ = g Φ (E²−B²),   L₂ = g Φ (E·B),

V obou případech vystupuje axionové pole Φ lineárně (jde o jeden axion) a elektromagnetické pole kvadraticky (jde o dva fotony). Vazebná konstanta interakce je označena symbolem g. V prvním případě je elektromagnetická část (E²−B²) skalární a pole Φ proto musí být také skalárníSkalár – veličina, která se nemění při určité transformaci (rotační, Lorentzově) ani při prostorové inverzi. (výsledná Lagrangeova funkce musí být skalární, jinak by chování polí záviselo na volbě souřadnicového systému). Takový axion interaguje s fotony, jejichž polarizace je kolmá k externímu magnetickému poli B₀. V druhém typu interakce je elektromagnetická část interakce E·B pseudoskalárníPseudoskalár – veličina, která se nemění při určité transformaci (rotační, Lorentzově) a při prostorové inverzi mění znaménko. a proto musí být axionové pole také pseudoskalární. Axion v tomto případě interaguje s fotony, jejichž polarizace je rovnoběžná s externím magnetickém polem B₀. Možný je samozřejmě i inverzní proces, ve kterém se foton v přítomnosti silného magnetického pole přemění pomocí virtuálního fotonu na axion:

Axiony pravděpodobně vznikaly v období krátce po Velkém třesku (tzv. reliktní axiony). Dnes by jejich nejbližším zdrojem mělo být nitro Slunce, kde se část vysoce energetických fotonů při rozptylu na elektrických nábojích (Primakovův jev) přeměňuje na axiony. Jejich počet by měl být roven počtu slunečních neutrin. Axiony by také mohly vznikat z fotonů v extrémních magnetických polích v okolí neutronových hvězd. Existuje řada experimentů, hledajících reliktní, sluneční i další axiony. První ze slunečních experimentů BFRTBFRT – Brookhaven-Fermilab-Rutherford-Trieste byl prováděn v Brookhavenské národní laboratoři, axiony hledají dále experimenty NOMAD, SOLAR, COSME. K nejvýznamnějším experimentům současné doby patří CASTCAST – Cern Axion Solar Telescope, dalekohled určený pro pozorování axionů vznikajících v nitru Slunce. Silný magnet o indukci 9 T a délce 10 m by měl některé sluneční axiony konvertovat zpět na RTG fotony, které je možné zachytit  detektory. Dalekohled funguje od roku 2003., PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. a FLASHFLASH – Free-electron LASer in Hamburg, experiment připravovaný v německém DESY (Hamburg). Fotony emitované z laditelného laseru na volných elektronech budou v silném magnetickém poli konvertovány na axiony, které po průchodu neprůhlednou deskou budou opětovně převedeny na fotony..

Experiment CAST (Cern Axion Solar Telescope)

Velmi zajímavý projekt na sledování slunečních axionů je umístěn od roku 2003 v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostavěn v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Jde o dalekohled, který by měl v silném magnetickém poli konvertovat axiony z nitra Slunce na fotony RTG záření. Většina dalekohledu vznikla z nepotřebných dílů jiných experimentů. Firmy zabývající se recyklací odpadu by tomuto projektu mohly závidět. Jako magnet byl využit již nepotřebný prototyp magnetu pro LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu laboratoří CERN v tunelu po urychlovači LEP II. Předpokládané uvedení do provozu je v roce 2007.. Je dlouhý 10 metrů a dosahuje magnetické indukce 9 T. Pro detekci vznikajících RTG fotonů slouží tři detektory, část detekční soustavy byla původně postavena pro vesmírný RTG dalekohled ABRIXASABRIXAS – plánovaný rentgenový dalekohled (1999) v rozsahu 0,5÷10 keV. Experiment se neuskutečnil.. Dalekohled je umístěn na kolejnici, která umožňuje pohyb ve vodorovném směru ± 40°, naklánění ve výšce je možné jen v rozsahu ± 8°. Z toho důvodu může dalekohled pozorovat Slunce jen při východu a poté až při západu Slunce. Celková pozorovací doba je tři hodiny denně. Po zbytek času se měří RTG pozadí. Dosud nebyl detekován žádný přebytek RTG záření oproti pozadí (v době, kdy je dalekohled namířen na Slunce). Detektor doposud hledal axiony do hmotnosti 0,02 eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV) nebo teraelektronvolt TeV (10¹² eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=kT).. V současné době byla citlivost dalekohledu výrazně zvýšena, magnet byl vyplněn héliem o nízké teplotě (1,8 K) a dalekohled by měl detekovat axiony až do hmotnosti 0,8 eV. Měření v nové konfiguraci budou probíhat po celý rok 2007. Je možné, že axiony nejsou detekovány proto, že ve slunečním nitru je k jejich vytvoření potřebná vyšší energie fotonů, než je k dispozici, anebo proto, že jsou v nitru Slunce nějakými procesy opět pohlcovány.

CAST – CERN Axion Solar Telescope.

Experiment PVLAS (Polarization of Vacuum with LASer)

PVLAS je zatím bezkonkurenčně nejznámějším experimentem díky pozitivní detekci stočení roviny polarizovaného světla ve vakuu. Jde o italský experiment umístěný v Národní laboratoři v Legnaru, která je součástí INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). V experimentu bylo použito lineárně polarizované světlo o vlnové délce 1 064 nm generované laserem. Světelný puls procházel metrovým magnetem o indukci 5 T, celý prostor byl chlazen kapalným héliem na 2,6 K. Za pomoci rezonátoru byla dráha světla uměle prodloužena. E. Zavattini se spolupracovníky z 44 000 průchodů světla zjistili, že světlo získalo slabě eliptickou polarizaci a vektor polarizace se stočil za jeden průchod (tedy na metrové vzdálenosti) o úhel (3,9 ± 0,5)×10⁻¹² rad. Nejpřirozenějším vysvětlením je, že se část fotonů s polarizací rovnoběžnou s externím polem B₀ v silném magnetickém poli přeměnila na axiony nebo jim podobné částice a tím došlo ke stočení polarizační roviny. Situace odpovídá interakci s Lagrangeovou funkcí L₂ a částice zodpovědné za stočení roviny polarizace  by měly být pseudoskaláry odnášející nadbytečný moment hybnosti. Zda jde skutečně o axiony nebo jiné částice musí ukázat až další experimenty. Předpovídaná hmotnost m pseudoskalárů je v rozmezí 1÷1,5 meV a vazební konstanta g vychází v rozmezí (1,7÷5)×10⁻⁶ GeV⁻¹.

PVLAS. Nalevo celkový pohled na experiment, napravo je žulová věž o výšce 7 metrů,
ve které je umístěn kryostat (chladící zařízení) a v horní části optická lavice.

Experiment FLASH (Free-electron LASer in Hamburg)

Experiment FLASH připravují v DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FEL. v německém Hamburgu. Myšlenka experimentu je velmi prostá a měla by ověřit nezávisle anomálii měřenou v experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům.. Část fotonů z výkonného laditelného laseru na volných elektronech bude konvertována v silném magnetickém poli na axiony. Tyto axiony snadno projdou neprůhlednou překážkou (interagují jen slabě). Za stěnou budou (opět v silném magnetickém poli) některé axiony přeměněny zpět na fotony a svazek laseru částečně obnoven. Zdánlivě by tak měla část světla projít neprůhlednou deskou.

V experimentu se počítá s laserem na volných elektronech laboratoře DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FEL., který je laditelný od 10 eV (EUV obor) po 200 eV (měkké RTG). Za magnety bude použito 12 elektrických dipólových magnetů, každý má indukci 2,24 T a délku 1,029 m. Šest magnetů bude umístěno před překážkou (zajistí konverzi světla na axiony) a šest za překážkou (zajistí zpětnou konverzi axionů na fotony). Laser spolu s magnety se ovšem nevejde do laboratoří DESY a proto je experiment stavěn před budovou. Se zprovozněním se počítá do konce roku 2006 a pokud bude axion objeven, jeho detailní průzkum by měl probíhat na podzim 2007. Autoři považují experiment za natolik důležitý, že původní název VUV-FEL (Vacuum Ultraviolet Free-Electron Laser) byl 16. 4. 2006 změněn na FLASH (Free-electron LASer in Hamburg). Pokud bude existence axionů potvrzena, bude to znamenat veliký krok kupředu v chápání vakua.

Experiment FLASH bude postaven před vchodem do budovy DESY.

Bonus: Klip „CAST“

V klipu uvidíte detailní záběry na desetimetrový kolos CASTCAST – Cern Axion Solar Telescope, dalekohled určený pro pozorování axionů vznikajících v nitru Slunce. Silný magnet o indukci 9 T a délce 10 m by měl některé sluneční axiony konvertovat zpět na RTG fotony, které je možné zachytit  detektory. Dalekohled funguje od roku 2003..
Zdroj: CERN

Odkazy