Vákuum: Je možné niečo vytvoriť z ničoho?
Po prvé, bomba: keď stredoškolská učiteľka povedala, že vo vákuu nie je nič, zjednodušila tieto informácie z pedagogických dôvodov. V prípade obsahu v triede je toto vyhlásenie zvyčajne viac ako dosť. Pravda je taká, že rovnako ako mnoho iných vysokoškolských predmetov aj tento skrýva tajomstvá študované v pokročilých témach disciplíny. Dôkazom toho sú experimenty uvedené v článku „Vákuovo balené“, článku uverejnenom v časopise New Scientist z 18. februára 2012.
Aj keď vo vákuu nie je nič, Quantum Physics berie do úvahy skutočnosť, že tieto oblasti obsahujú minimálne množstvo energie, ako aj elektromagnetické a gravitačné polia. Preto sa vákuum nemôže považovať za úplne prázdne.
Okrem toho sa v týchto priestoroch nachádza aj prítomnosť častíc a antičastíc, ktoré sa neustále vytvárajú a ničia. Tieto podivné „malé stvorenia“ kvantovej zoo - známe ako virtuálne častice (alebo antičastice) - sa nedajú jednotlivo zistiť. Sú však schopné vyvolať reakcie, ktoré je možné merať, napríklad Casimirov efekt. Tento flasher častíc je známy ako kvantové kolísanie vákua.
Pochopenie Casimirovho efektu
V roku 1948 sa holandský fyzik Hendrik Casimir pokúsil porozumieť tomu, ako existujú koloidy, to znamená, ako udržať zmes, v ktorej je jeden druh látky rozptýlený v druhom, napríklad tukové guľôčky vo vodnom roztoku mlieka. Sily medzi molekulami v takomto médiu klesajú rýchlejšie so vzdialenosťou ako tradičné výpočty, založené na sile van der Wallsovej.
Aby sa dospelo k adekvátnemu riešeniu problému, Casimir nasledoval radu fyzika, ktorého práce boli základom vytvorenia kvantovej fyziky, Niels Bohr: zvážte pôsobenie vákua medzi molekulami zmesi. Je zrejmé, že výpočet fluktuácie energie v komplexnej molekulárnej štruktúre koloidu by nebol možný. Takže Casimir navrhol jednoduchší model: dve dokonale zarovnané kovové platne plávajúce vo vákuu.
Pretože je vákuum plné vlnových polí obsahujúcich energiu, plnenie týchto vĺn je medzi týmito dvoma doskami obmedzenejšie, čo vedie k menšiemu počtu častíc v tomto priestore. V dôsledku toho je hustota energie medzi dvoma doskami nižšia ako v otvorenom priestore, čo vytvára tlakový rozdiel, ktorý tlačí jednu dosku proti druhej.
Táto sila je však veľmi malá: dve samostatné platne s 10 nanometrami pociťujú silu porovnateľnú s hmotnosťou atmosféry nad našimi hlavami. Je teda veľmi komplikované dokázať existenciu tejto sily, pretože ju môžu zmeniť oveľa väčšie sily pôsobiace na tú istú zmes.
Až do roku 1996 bol Steven Lamoreaux, fyzik na University of Washington v Spojených štátoch, schopný starostlivo izolovať všetky ďalšie účinky, ktoré by mohli pôsobiť na experiment, a tak našiel malú zvyškovú silu pôsobiacu na kovová platňa a sférická šošovka tlačia proti sebe. Preto sa zdalo preukázané, že pôsobenie vákua bolo skutočné.
Z tohto dôvodu začali ďalšie veľmi zaujímavé experimenty zmeniť náš koncept nicoty. Lamoreaux a jeho tím napríklad potvrdili, že kvantové fluktuácie vákua sa zvyšovali so zvyšujúcou sa teplotou. Ale ešte zaujímavejšie skutky mali prísť.
A nech sa stane svetlo!
V novembri 2011 sa vedci z Chalmers University of Technology vo Švédsku rozhodli využiť myšlienky Casimirovho efektu opačne, ako to navrhol americký fyzik General Moore v roku 1970: ak by sme mohli rýchlo pohnúť dvoma zrkadlami, navzájom, fluktuácia Kvant, ktorý sa nachádza v priestore medzi nimi, by sa dal rozdrviť tak prudko, že by sa jeho energia uvoľňovala vo forme fotónov. Teória sa stala známou ako dynamický Casimirov efekt.
V praxi sa ani veľmi malé zrkadlo nemohlo pohnúť tak rýchlo, takže fyzik Chris Wilson a jeho tím navrhli niektoré zmeny v Mooreových nápadoch, aby sa dali uviesť do praxe: na simulovanie účinku použili rýchlo premenlivé elektrické prúdy. zrkadlá, ktoré by mohli byť zrýchlené na približne ¼ rýchlosť svetla. Výsledok bol podľa očakávania: výroba fotónových párov, ktoré sa vynorili z vákua a mohli byť merané ako mikrovlnné žiarenie.
Ale rovnako ako existencia Casimirovho efektu, experiment v tom čase tiež vyvrátili iní fyzici, ktorí neveria, že experiment skutočne simuloval Mooreove myšlienky. Wilson sa obhajuje tvrdením, že experiment sa uskutočnil so všetkými nevyhnutnými bezpečnostnými opatreniami a testami, vrátane dôkazu, že boli dokonca začaté z vákua. V rozhovore pre časopis New New využil situáciu a pripomenul svojim súperom: „Pre niektorých ľudí bude dynamický Casimirov efekt vždy na rýchlo sa pohybujúcom skutočnom zrkadle.“
Rovnako ako Casimirov efekt, ale na rozdiel od toho
Ďalší zvedavý experiment vykonal Steven Johnson a jeho kolegovia z Massachusetts Institute of Technology (MIT). Vypočítali, že Casimirov efekt sa dá prevrátiť, to znamená, že namiesto toho, aby pôsobil ako druh lepidla pre dva nanomateriály, mohol by sa použiť na vyvíjanie protitlaku, to znamená na vytlačenie jedného objektu od druhého.
Aby to urobili, fyzici zmenili tvar kovových dosiek a pridali štruktúry, ktoré sa podobajú zubom zipsu. To by teoreticky spôsobilo, že sila medzi nimi bude odpudivá. V nedávnej štúdii uskutočnenej na univerzite v Coimbre v Portugalsku vedci Stanislav Maslovski a Mário Silveirinha teoretizovali podobný účinok použitím kovových „nanobodov“, ktoré vytvorili odpudivú silu schopnú levitovať kovové nanobary.
V praxi by tento účinok mohol viesť napríklad k vytvoreniu nano stupňov a motorov schopných prevádzky bez trenia medzi časťami. Uvedenie tejto praxe do praxe by však vyžadovalo vývoj nových nástrojov schopných vyrovnať tieto nanočastice tak, aby vákuum medzi ich atómami nespôsobovalo kvantové fluktuácie pôsobením rôznych smerov.
Vákuum a vedecký skepticizmus
Možno teda odvodiť, že experimenty uskutočnené v posledných rokoch dávali teóriám pred desiatkami rokov väčšiu dôveryhodnosť, čo dokazuje, že kvantové fluktuácie a Casimirov efekt sú skutočné. Napriek tomu nie všetci fyzici kúpili tento nápad.
Mnoho vedcov proti Casimirovmu efektu alebo kvantovému kolísaniu vákua tvrdí, že tieto témy sa stali populárnymi, pretože matematika za nimi je taká jednoduchá. Pre Juliana Schwingera, držiteľa Nobelovej ceny za fyziku z roku 1965, sa tieto účinky prejavia kvôli kvantovej interakcii medzi nábojmi hmoty, nie samotným vákuom.
Môže sa tiež stať, že dôkaz o týchto javoch je paradoxný: existenciu vákuovej energie môžeme dokázať iba pridaním látky do nej a riskujeme skreslenie experimentov. Medzitým Chris Wilson, ktorý vrhol svetlo na nič, dúfa, že iné výskumné skupiny dokážu zdôvodniť údaje, ktoré jeho tím nájde, a trochu viac podporia možnosť, že určité javy môžu byť skutočne skutočné.
Ako nepríjemný je proces dokazovania, práve tento latentný skepticizmus robí vedu tak spoľahlivou. Nakoniec je to dokonca dobré, pretože môže priniesť v budúcnosti zaujímavé experimenty, ako sú tieto.
Odporúčaná
