Zvětšit obrázek

Stvoření fotonů z ničeho. Kredit: Philip Krantz, Chalmers

Vakuum obvykle vnímáme jako úplně prázdný prostor. Jak už to ale chodí s kvantovými fyziky, podle nich vakuum vlastně vůbec prázdné není. V optice kvantové teorie pole vakuum přetéká oceánem virtuálních částic, které se v párech vynořují do existence a po krátké době opět mizí v nebytí. Působí to bizarně a nejdřív to byla i mezi věhlasnými vědci jenom taková kuriozita, velmi záhy se ale ukázalo, že tyto kvantové fluktuace vakua mají měřitelné důsledky, jako například Lambův posun spektrálních čar vodíku nebo změnu magnetického momentu elektronu, které dodaly šílené fyzikální fantazii jisté základy reality. Pozoruhodným projevem kvantových fluktuací vakua je i slavný Casimirův jev, kdy se k sobě přitahují dvě velmi těsně umístěná rovnoběžná zrcadla nebo jiné desky na první pohled nepochopitelnou silou, která je rozhodně větší, než jejich vzájemná gravitační přitažlivost. Hendrik Casimir ho navrhl v roce 1948 a experimentálně byl poprvé potvrzen v roce 1996, kdy to umožnil technologický pokrok. Jde o to, že mezi deskami vzniká ve srovnání s okolím o něco méně virtuálních párů částic, protože mohou mít pouze takové vlnové délky, že vzdálenost mezi deskami odpovídá jejich celočíselnému násobku. Jemný rozdíl v množství částic na vnitřních a vnějších stranách desek pak vede k jejich přitahování a podle nedávných výzkumů i k odpuzování.

Chris Wilson
Kredit: C. Wilson, Chalmers University

Už před čtyřmi desetiletími vznikl koncept experimentu, při němž by bylo možné přímo pozorovat virtuální částice z kvantového vakua. Kovové zrcátko pohybující se relativistickou rychlostí by podle těchto představ mělo být schopné vyvolat dynamický Casimirův jev, při němž by absorbovalo energii virtuálních fotonů a pak ji vyzářilo jako fotony reálné. Proměnit tímhle trikem virtuální fotony na jejich reálné protějšky se ale až doposud nikomu nepodařilo. Vyrobit zrcátko létající relativistickou rychlostí zjevně není úplně snadné. Zvládl to až tým Christophera Wilsona ze švédské Chalmers University of Technology v Göteborgu, jehož členové vymysleli pozoruhodný trik, kterým nahradili zrcátko letící šílenou rychlostí. Použili totiž speciální zařízení SQUID, čili Superconducting quantum interference device, které je extrémně citlivé na změny magnetického pole. Zároveň nahradili původní kovové zrcadlo supervodivým obvodem, který fungoval jako zrcadlo pro mikrovlny. Se SQUIDem rozkmitali použité „zrcátko“ tak, že vibrovalo 25 procenty rychlosti světla a pak se mohli pustit do ověřování dynamického Casimirova jevu.

Zvětšit obrázek

Klasický Casimirův jev. Kredit: Emok, Wikimedia Commons

Jak se lze dočíst v aktuálním vydání Nature, Wilson a spol. nakonec uspěli a pod rukama se jim podle předpokladů objevovaly páry fotonů. A proč právě fotony? Kvantová mechanika sice praví, že ve kvantovém vakuu dlí spousta různých zdivočelých virtuálních částic, není ale právě snadné je dostat ven. V zásadě je možné z vakua vyvolávat protony nebo elektrony, vyžaduje to ale příšernou spoustu energie. Vylovit fotony bez klidové hmotnosti je oproti tomu snadnější, protože k tomu stačí energie o poznání méně.

Zvětšit obrázek

Dočkáme se červí díry? Kredit: NASA CD-98-76634/Les Bossinas

Výzkum Wilsona a spol. si okamžitě získal pozornost široké odborné veřejnosti. Souvisí totiž s řadou zajímavých věcí, například s vývojem kvantových počítačů a samozřejmě přispívá k hlubšímu pochopení samotného konceptu kvantových fluktuací vakua. Skotačení virtuálních částic asi mnoha lidem kazí spokojený spánek a rozhodně uvítají další objevy. Někteří odborníci se také domnívají, že právě kvantové fluktuace vakua mají co do činění s takzvanou temnou energií, která podle nás pohání zrychlené rozpínání našeho vesmíru. A konečně, popustíme-li otěže fantazii, kvantovou mechanikou Casimirova jevu by snad mohla být stabilizována červí díra, která by jistě nebyla k zahození.

Literatura:  NewScientist 18. 11. 2011, Chalmers News 16.11. 2011, Nature 479: 376–379, Wikipedia (Casimir effect).