Dnešní fyzikální teorie nepovažují vakuum za „absolutní prázdno“, nýbrž za prostředí, v němž sice nejsou žádné částice hmoty, ale dochází tam k tzv. virtuálním procesům, provázeným zrodem a okamžitým zánikem dvojic virtuálních (tj. možných) částic. Na tvrzení, že vakuum není prázdnotou, není nic paradoxního. V jeho hloubce totiž přece jenom něco je. Představme si prostor, v němž není ani plyn, ani molekuly, ani atomy, který je prost jakékoli hmoty. Není to však absolutní „nic“. Probíhá tam činnost, jsou tam pole. Vakuum „vibruje „, „kolísá“. Toto kolísání je projevem energie. Dva přední fyzikové si jen tak „pro legraci“ udělali zajímavé výpočty. Richard Feynman a John Wheeler zhodnotili energetický potenciál vakua uvnitř obyčejné žárovky. Ukázalo se, že stačí k tomu, aby přivedl do varu všechny oceány na naší planetě. Zní to neuvěřitelně, že?
VESMÍR JE SKORO PRÁZDNÝ… Bylo by velmi zajímavé naučit se získ ávat a využívat aspoň malou část této energie z „ničeho“. Právě o to se pokusil americký fyzik Robert Foward. uveřejnil v časopise Physical Review zprávu s titulkem „Získávání elektrické energie ve vakuu vazbou vrstevnatých induktorů“. Na druhé straně vědci v moderních kosmologických „scénářích“ připisují energii vakua zcela mimořádnou úlohu v prvních okamžicích existence vesmí- ru. Zahrnutí vakua mezi aktivní faktory v nekonečném mechanismu vzniku světa připadá nezasvěcenému podezřelé. V teoriích „rozpínajícího se“ vesmíru vystupuje tato energie obdobně jako antický „deus ex machina“, přičemž dostává jistý nádech iracionality. Jak může vakuum tj. „nic“, produkovat „něco“, co se od něj liší? Tady se budeme muset vrátit ke kvantové teorii. Tato teorie považuje elektrony za svérázné částice s vlnovými a korpuskulárn ími vlastnostmi zároveň, třebaže si to na první pohled odporuje. Tělesa mají podle kvantové teorie svérázné charakteristiky, které se radikálně liší od zástupců klasické fyziky. Totéž se týká kvantového pojetí vakua. Už v antice se setkáváme se dvěma filozofickými směry, jež se různí v pohledu na podstatu vakua a formy jeho existence. Pro atomisty, například Demokrita, spočívá podstata reality, jež nás obklopuje, na jedné straně v atomech, nedělitelných částicích, které v různých kombinacích tvoří tělesa, na druhé straně ve vakuu.
Aristoteles naproti tomu sáhl k rafinovanějším argumentům a dokazoval, že vakuum neexistuje. „Příroda se bojí prázdnoty“. Tato teorie se dožila 17. století. Po roce 1644 se objevily nové myšlenky. Torricelli, Galileiův žák, tehdy předvedl pokus, kterým se proslavil: Uchopil sklen ěnou trubici, na jednom konci uzavřenou, a naplnil ji rtutí. Pak ponořil volný konec trubice do nádoby s rtutí. V trubici se hladina rtuti snížila a zastavila se přesně nad její úrovní v nádobě. V horní části trubice vznikla prázdná hmota. „Návrat“ kvantové teorie k myšlence neexistující prázdnoty, jak jsme toho svědky dnes, může vypadat paradoxně. Klasická fyzika nás navzdory Aristotelovi naučila, že příroda má ráda prázdnotu. Vesmír je skoro celistvé vakuum, v němž je hmota výjimkou. Ale i ona se skládá v podstatě z prázdnoty. V měřítku atomu je vzdálenost mezi jádrem a elektrony obrovská. Často slýcháme, že se látka skládá z vakua, ale hmota, kter á je vytváří, je soustředěna v nicotných částech prostoru. Proti této koncepci, „všudypřítomnost“ vakua a krajní zředěnost látky, existuje jiná, která nechápe vakuum jako prázdnotu. John Wheeler o tom napsal: Žádné jiné tvrzení mi nep řipadá tak fundamentální jako toto: vakuum není prázdnota, je to oblast projevu nejmocnějších fyzikálních procesů.“ Tak vysvětluje problém kvantová teorie, oblast vědění, která popisuje strukturu a procesy probíhající v mikrosvětě. Ale jak je to možné?
POZORUHODNÉ VIRTUÁLNÍ ČÁSTICE. I při teplotě absolutní nuly, říká kvantová teorie, je ve vakuu určitý „zbytek“ něco neodstranitelného. Jsou to elektromagnetick á pole. Setk áváme se s tím, čemuž fyzikové říkají „energie absolutní nuly“. Vakuum v tomto stavu neustále kmitá, podobně jako vlny na povrchu. Tyto vlny jsou vizuální představou kmitů, jež nepřetržitě produkují částice, žijící velmi krátkou dobu. K pochopení takovéto neobvyklé aktivity se musíme seznámit se základními teoretickými tezemi kvantové elektrodynamiky. První z nich je Heisenbergův princip neurčitosti. Jeho podstata tkví v tom, že není možné současně změřit rychlost částice a určit její polohu. Na druhé straně musíme mít na paměti základní fyzikální zásadu, zákon zachování energie. V každé interakci, bez ohled u na její podstatu, se zac h o v á v á energetická rovnováha. Při srážce dvou částic musí být sumární energie stejná jako před dotykem. Rovnováha mezi „přísunem“ a „spotřebou“ energie musí být ideální. Je to jeden z nejpřísnějších zákonů veškeré fyziky, který ovšem platí bez výjimky i v oblasti interakce elementárních částic. Ale v dané oblasti musíme brát v úvahu Heisenbergův vzájemný poměr.
Připouští existenci procesů, které se na pohled podobají kouzlu. Jestliže podle něho měříme energii elektronu například během velmi krátkého, ale zaznamenaného časového úseku, míra přesnosti tohoto měření bude nepřímo úměrná jeho trvání. Logicky vzato, může být neurčitost měření při velmi krátkém časovém úseku dosti značná. Proto si můžeme představit, že v těchto nekonečně malých okamžicích může být energie velmi velká. Nesmlouvavý požadavek zákona o zachov ání energie se může naprosto „zákonně“ obejít. Jmenovitě můžeme připustit existenci krátkou dobu žijících částic ve vakuu. Období jejich života je o to kratší, oč větší mají energii. Vzájemný poměr neurčitosti tak skýtá možnost ústupku vůči zákonu o zachování energie. Představíme-li si soustavu protonu a neutronu, který se kolem něho neustále otáčí, pak je proton obklopen částicemi vzniklými z vakua. Vytvářejí „oblak“, výsledek kmitání elektromagnetických polí, které existují mezi protonem a neutronem. Fyzikové mají za to, že kmitání těchto polí má nahodilý ráz, čímž vznikají tzv. virtuální (možné) částice. Fyzikové dělají rozdíl mezi nimi a reálně existujícími, jako je například proton a elektron.
Virtuální částice, vzniklé z „ničeho“ a nezbytně tamtéž mizející, jsou po dobu své kratinké existence stejně reálné jako ostatní. Vznikají ve dvojicích. Tato teze vyplývá z jiného, rovněž základního zákona o zachování množství pohybu. Jako příklad můžeme uvést elektron a pozitron. Každou z těchto dvojic ovšem pozorovat můžeme. Vnucuje se záměr, že vznik částic z „ničeho“ porušuje zákon zachování energie, aniž to příroda zaznamenává. Problém je řešitelný velmi jednoduše. Čím větší energie bude převzata z vákua, tím rychleji zmizí v důsledku anihilace (tj. zničení, zmaru) částice.
ZDROJ ENERGIE? I v nejhlubším vakuu, jaké si dokážeme představit, kde není jediná částice tudíž existují nahodilé kmity, které nep řetržitě vytvářejí z prázdnoty virtuální částice, jež mizejí, sotva se stačí objevit. Na základě zmíněných úvah můžeme tvrdit, že všechno je ve vakuu. Kmitání polí vzniká ze všech částic počínaje nejleh čími (elektrony) a konče nejtěžšími ve fyzice vysokými energiemi. Ve vakuu přitom existují také dosud neznámé částice. Proto nemůžeme vakuum definovat jako „prázdný prostor“, inertní a oproštěný od všeho, nýbrž jako prostor s hojností energie. Jelikož se elektron ve vakuu přesouvá, můžeme si jej představit jako plovoucí mezi neustále útočícími virtuálními částicemi. Tuto domněnku vyslovil John Weeler. Zároveň si můžeme položit oprávněnou otázku, zda existují nějaké důkazy o takových procesech ve vakuu. Ano, existují. Jako první je objevil na sklonku čtyřicátých let holandský fyzik H. Kazimir. Pozorovat dvojici virtuálních částic možné není, ale jejich kvantitativní projevy ano. Podstata Kazimirova efektu je taková: Do volného prostoru se umístí dvě kovové desky, a pak se zařízení ochladí. Do okamžiku dosažení energie absolutní nuly má tepelné záření snahu obě desky k sobě přiblížit.
Při dosažení absolutní nuly se elektromagnetické záření rovněž snaží desky spojit. Energie vakua produkuje tlak. Jeho nekonečně malou hodnotu se podařilo změřit v roce 1958 jinému holandskému fyzikovi, M. Sparnaaiovi. Jiný příklad energie vakua má název Lambův posuv. Elektromagnetické pole spojující elektron s atomovým jádrem může vést ke vzniku dvojic částic pozitron- elektron ze souhrnu virtuálních částic. Tento proces vzniku a mizení virtuálních částic vyvolá to, čemu fyzikové říkají polarizace vakua. V důsledku této polarizace dochází k nepatrné změně oběžné dráhy elektronu kolem jádra. W. E. Lambovi se podařilo velmi přesně změřit tuto zanedbatelnou odchylku pro atom vodíku, za což byl vyznamenán Nobelovou cenou. Vyvstává na první pohled podivná otázka využití vakua jako energetického zdroje. Těžkosti ovládnutí jaderné syntézy jsou všeobecně známé, takže zmínka o využití energie vakua vzbuzuje u fyziků skeptický úsměv. A přece…Je možné, že se článek Roberta Fowarda, v němž navrhuje získávat elektrickou energii z vakua s využitím Kazimirova efektu, časem stane prvním krokem v dějinách využití energie vakua. Energie z „ničeho“.
