Tekoucí vesmír

Paul Davies

Ve vakuu se toho děje tolik, že se začíná jevit jako substance s vlastními zákonitostmi a pravidly. Našim dnešním průvodcem kvantovým éterem je Paul Davies, fyzik vyučující na australské Macquarie University v Sydney a na University of Queensland. Je znám hlavně pro svou práci v oblasti pokusů s kvantovou gravitací, ačkoli k této problematice nepřistupuje přesně stejně jako třeba Lee Smolin a lidé, kteří se zabývají teorií superstrun. Je to člověk, který upřednostňuje střízlivější přístup.

JE VESMÍR opravdu jen prázdnota, nebo ho vyplňuje jakási tajuplná, nepostižitelná substance? Staří Řekové a také vědci v 19. století si to mysleli. Tato dávná představa ovšem byla s počátkem 20. století zdiskreditována a zdálo se, že jednou provždy zanikla.

Nyní však na tento mlhou obestřený předmět vrhá nové světlo kvantová fyzika. Některé myšlenky, které tehdy upadly v nelibost, se opět potichu vplížily do moderních úvah. Vyvstala představa „kvantového éteru“.

Toto ohromující znovuoživení prastarých myšlenek umožňuje nové pohledy na povahu pohybu v prostoru, ideu obsáhlého propojení vesmíru (zavržené vztažné soustavy) i na možnost cestování časem. Důvtipné nové aparatury mohou umožnit detekci kvantového éteru v laboratoři nebo dokonce jeho zapřáhnutí za technologickými účely.

Je-li tomu tak, patrně získáme odpovědi na otázky, které po milénia vzrušovaly filozofy i vědce. Už v pátém století př. n. l. dospěli Leucippus a Démokritos k názoru, že fyzikální univerzum sestává z drobounkých částic – atomů (a-thom – „nedělitelný“), které se pohybují v prázdnotě. „To je nemožné!“, protestovali stoupenci Parmenida, a měli po ruce pádný argument: „Prázdnota neobsahuje nic, a kdyby dva atomy byly odděleny ničím, nebyly by oddělené vůbec – dotýkaly by se!“ Vesmír tedy podle nich nemohl existovat, kdyby nebyl vyplněn substancí, jíž říkali plénum.

Pokud plénum existuje, musí být naprosto odlišné od běžné hmoty. Newtonovy zákony pohybu kupříkladu stanoví, že pokud nebudou na těleso pohybující se prázdným prostorem působit žádné síly bude se pohybovat stále stejně. Takže plénum nemůže vyvolávat tření – jestliže ano, pak by Země samozřejmě na oběžné dráze stále zpomalovala a přibližovala se po spirále k Slunci.

Nicméně také Newton byl přesvědčen, že prostor musí vyplňovat jakási substance. Zaznamenal, že „na libovolné těleso rotující ve vakuu – například na planetu kroužící v prostoru – působí odstředivé síly. Země je v důsledku toho mírně vyboulená na rovníku. Ve skutečně prázdném prostoru neexistuje žádný vztažný bod, vůči němuž by bylo možné měřit rotaci. Takže, uvažoval Newton, zde musí číhat něco neviditelného, něco, co poskytuje soustavu souřadnic. To něco pak zpětným působením na rotující těleso vyvolává odstředivou sílu. V jednom z dopisů Bentleymu Isaac Newton píše: „Tvrzení, že gravitace by měla být přirozenou a základní podstatou hmoty, a že nějaké těleso může ve vakuu působit na další na dálku, aniž by to bylo něčím zprostředkováno, a že se interakce a síly mohou prostě jen tak přenášet přímo od jednoho k druhému, se mi jeví do té míry nesmyslné, že věřím, že něco takového žádného člověka nadaného schopností uvažovat o těchto filozofických problémech nemůže nikdy ani napadnout.“

Německý filozof Gottfried Leibniz, žijící v 17. století, vyslovil jiný názor. Věřil, že veškerý pohyb je relativní, takže rotace může být měřena pouze ve vztahu k vzdálené hmotě ve vesmíru. Mínil, že za to, že víme, že se Země otáčí, vděčíme tomu, že vidíme okolo kroužit hvězdy. „Kdybychom odstranili zbytek kosmu,“ mínil Leibniz, „nebyla by tu žádná možnost jak zjistit, zda se Země otáčí, a tudíž bychom nevěděli ani o odstředivé síle.“

Přesvědčení že prostor vyplňuje jakási zvláštní subtilní látka podpořili v 19. století Michael Faraday a James Clerk Maxwell. Zvažovali, že elektrická a magnetická pole jsou důsledkem stresu v jakémsi neviditelném hmotném mediu, které vešlo ve známost jako „světlonosný éter“. Maxwell věřil, že původcem elektromagnetických vln, jako například světla, jsou vibrace či oscilace éteru. Představa že nás obklopuje a prostupuje jakýmsi druh přízračného rosolu fascinovala soudobé spiritualisty, kteří vykonstruovali názor, že každý z nás má mimo materiálního ještě i éterické tělo.

Když se však Albert Michelson a Eduard Morley pokusili porovnáním signálů rychlosti světla přicházejícího z různých směrů změřit jak rychle se Země v éteru pohybuje, získali nulový výsledek.

S vysvětlením této nesrovnalosti přispěchal Albert Einstein s oprášeným Leibnitzovým postojem: éter jednoduše neexistuje a pohyb Země lze zvažovat jen ve vztahu k jiným hmotným tělesům, ne vůči samotnému prostoru. Rychlost pohybu tělesa prostorem ve skutečnosti nelze určit žádným pokusem, protože rovnoměrný pohyb je pouze relativní, tvrdil.

ZNÍ to správně, ale je zde komplikace, již představuje zrychlení. Budete-li sedět v letadle letícím stálou rychlostí, nemůžete říct že jste vůči povrchu Země v relativním pohybu, jestliže nevyhlížíte z okna; je to tedy tak, jak prohlašoval Einstein. Můžete nalévat nápoje a usrkávat z nich stejně pohodlně, jako kdybyste seděli doma v obývacím pokoji. Ale v okamžiku kdy letadlo vyrazí prudce vpřed, nebo náhle zpomalí, všimnete si toho okamžitě protože vám nápoj vyšplouchne. Takže ačkoli rovnoměrný pohyb je relativní, akcelerace se projevuje absolutně: můžete ji zjistit bez ohledu na jiná tělesa.

Einstein se snažil objasnit efekt setrvačnosti – obvykle označovanému jako g-síly výpůjčkou myšlenky rakouského filozofa Ernsta Macha. Ten stejně jako Leibniz věřil, že veškerý pohyb, včetně zrychlení, je relativní. Podle Macha lze vyšplouchnutí vašeho nápoje v kymácejícím se letounu přisoudit ovlivňování veškerou hmotou obsaženou ve vesmíru. Tato představa vešla ve známost jako Machův princip. Einsteina tehdy rozehřála představa, že by odstředivou sílu, a setrvačné síly vyplývající z akcelerace obecně, mohl vysvětlit gravitačním polem zbytku vesmíru.

Nicméně, když v roce 1915 Einstein dokončil formulaci Všeobecné teorie relativity – teorie o prostoru, času a gravitaci – byl značně zklamán zjištěním, že do ní nelze vtělit Machův princip. Skutečnost je taková, že matematik Kurt Godel už v roce 1948 ukázal, že jednou z podmínek řešení Einsteinových rovnic je potřeba charakterizovat vesmír ve stavu absolutní rotace – který je předem vyloučen podmínkou, že rotace může být jen relativní k vzdálené hmotě. Jenže není-li akcelerace definována jako relativní k vzdálené hmotě, vůči čemu je pak relativní? K nějaké nové verzi éteru?

V roce 1976 jsem začal pátrat, co by k tomuto problému mohla říci kvantová mechanika. Podle kvantové teorie pole má vakuum některé dost podivné vlastnosti. Také Heisenbergův princip neurčitosti naznačuje, že dokonce i v prázdném prostoru „vskakují“ vnitroatomární partikule, jako třeba elektrony a fotony, neustále do existence jakoby se vynořily odnikud, a pak opět téměř ihned zaniknou. To znamená, že kvantové vakuum je doslova klokotající rej skotačících, pomíjivých „virtuálních částic“.

I když tyto částice nemají trvanlivost normální hmoty, přesto mohou mít fyzikální vliv. Například pár zrcadel, uspořádaných proti sobě a extrémně blízko od sebe, pocítí slaboučkou sílu přitažlivosti, a to dokonce i v dokonalém vakuu, protože toto nastavení ovlivní chování virtuálních fotonů. Potvrdilo se to v mnoha experimentech.

Jestliže se kvantové vakuum zjevně podobá éteru, znamená to, že je v něm něco více, než jen nic. Ale co přesně je éter z nového pohledu? Vypadá to, že každá reálná částice, jako například elektron, která se pohybuje tímto mořem virtuálních částic si jimi musí doslova razit cestu, a proto bude ztrácet energii a v důsledko toho se zpomalí. Avšak tak tomu není. Stejně jako éter Starých, neuplatnuje ani kvantové vakuum žádné tření vůči částici, která se pohybuje konstantní rychlostí.

Jinak tomu je v případě zrychlení. Kvantové vakuum působí na zrychlující částice. Například elektron, kroužící okolo nějakého atomu, je postrkován virtuálními fotony z vakua, což vede k nepatrným, ale přesto měřitelným změnám jeho energie.

Podle mých výpočtů z roku 1976 by pozorovatel, zrychlující v prázdném prostoru, měl být obklopen elektromagnetickým zářením, podobně jako horký objekt. Čím větší akcelerace, tím teplejší vyzařování.

Později ve stejném roce dospěl k podobnému závěru i William Unruh z University of British Columbia, poté, co zvažoval jak by kvantové vakuum mohlo ovlivnit detektor urychlovaných částic. Unruhova metoda byla snadno přizpůsobitelná na úhlové zrychlení, a výpočty odhalily, že detektor rotující ve vakuu by rovněž pozoroval vyzařování. Může toto tepelné záření znamenat, že éter je zářivý?

Abychom se ujistili, museli bychom vlastně sledovat radiaci. Tento efekt je nicméně slaboučký: abychom registrovali zvýšení teploty o 1° Kelvina chtělo by to zrychlení asi 1021 g. Urychlit tak zhurta fyzika je sotva praktický návrh. Ale možná bychom podobnému násilí mohli podrobit vnitroatomární částice. Daniel Vanzella a George Matsas ze Státní univerzity v Sao Paulo nedávno rozhýbali stojaté vody poukazem na to, že pokud zmíněný radiační efekt existuje mohl by způsobit, aby proton udělal cosi, co by jinak nikdy neudělal: prudce urychlený proton by pohlcoval energii okolního záření a změnil se na neutron, přičemž by se během tohoto procesu vytvořilo pozitronové neutrino. Ale dosáhnout natolik enormní akcelerace je extrémně obtížné, i když jde o proton.

Není tady nějaký jemnější způsob? V sedmdesátých letech jsme společně se Stephenem Fullingem, tehdy na londýnské King’s College, zkoumali narušování kvantového vakua pohyblivým zrcadlem. Zjistili jsme, že tak jako u pohybující se částice se neprojeví žádný efekt, když je pohyb zrcadla konstantní. K našemu údivu se totéž ukázalo platným pro zrcadlo, jehož pohyb byl rovnoměrně urychlován. Avšak zrcadlo měnící akceleraci – třeba v důsledku rychlého vychylování – kvantové vakuum vybudí a vytvoří se reálný foton. Radiaci pohybujícího se zrcadla zjevně lze posílit užitím optického rezonátoru s vibrujícími stěnami. Marc-Thierry Jaekel, Astrid Lambrecht a Serge Reynaud z University of Paris, Jussieu, popsali takový experiment počátkem letošního roku. Ukázali, že rezonanční oscilace vyzařování nejen zesiluje, ale míní, že se projevuje v záblescích v prudce vrcholících špičkách, které jev ještě zvýrazňují. Dosud nevyřešená je problematika jakým způsobem rozkmitat dutinu dostatečně vehementně a současně v ní udržet velmi nízkou teplotu, aby tepelné vyzařování nepřekrylo slabý signál.

Mohl by zde ale být ještě jiný způsob, jak se přímo dotknout éteru. Teorie předpovídá, že se kvantové vakuum chová do jisté míry jako viskózní kapalina. Podle všeobecné relativity je gravitační pole jen deformace geometrie časoprostoru. Z toho zpětně vyplývá, že ohýbající se prostor do sebe vtahuje kvantový éter. Jestliže se toto napětí s časem mění, dojde k tření. Leonard Parker na konci šedesátých let zjistil, že expanze nebo kontrakce vesmíru by vytvořila částice z čistého vakua. Rozpínání prostoru z něj vlastně vytáhne část virtuálních částic, které se změní v reálné.

Ve stejném období předpověděli Unruh a Alexei Starobinskii z Moskevské univerzity obdobný efekt poblíž černých děr. Ukázali že pokud černá díra (vlastně vysoce zdeformovaný prázdný prostor) rotuje, emituje kvantové částice a září. Kvantový éter poskytuje elegantní způsob jak to vysvětlit. Protože díra rotuje, stahuje éter z okolí. Účinek tahu je tím nelítostnější, čím blíž je k díře, čímž je je část éteru jakoby odstřižena a zahřívána, takže nakonec září. Bohužel je toto záření tak slabé, že ho nezachytí žádný teleskop postavený v dohledné době.

Naštěstí nepotřebujeme černou díru, abychom mohli pozorovat tření v éteru. Roku 1997 předvedl John Pendry z londýnského Imperial College, že by se na zrcadle pohybovaném šikmo paralelně k dalšímu zrcadlu mělo projevovat tření dokonce i ve vakuu, protože virtuální fotony uzavřené mezi paralelními plochami zrcadel zahřívají jejich povrch. Tato tepelná energie může pocházet jen z kinetické energie desek, jejichž pohyb by proto měl zpomalovat.

Tytéž úvahy lze aplikovat na každý jednotlivý atom, pohybující se poblíž kovového povrchu. Jestliže teoreticky prohodíme atom přesně středem vertikální kovové trubice, měl by dosáhnout jen mezní rychlosti, jelikož se musí protlačit viskózním kvantovým vakuem, úplně stejně jako kulička z ložiska vhozená do oleje. Vzhledem k pokrokům v chladné atomové optice by podobný experiment mohl být uskutečněn už v blízké budoucnosti.

Ale i kdybychom mohli detekovat kvantový éter tak dramatickým způsobem, všechny efekty, které jsem dosud popsal jsou slabé. Žádný z nich nemá výrazný vliv na vesmír, takže byste si mohli myslet, že kvantový éter je jen bezvýznamná kuriozita. Jenže mnozí fyzici si myslí, že je to právě naopak.

Bernard Haisch z California Institute for Physics and Astrophysics v Palo Alto s kolegy vypočítal účinek vlivu kvantového vakua na urychlování nabitých částic, a tvrdí, že takto lze imitovat efekty působící na hmotu (New Scientist, 3. února 2001, str. 22). Toto působení, říká Haisch, je skutečnou podstatou setrvačnosti a poskytuje řešení prastarého hlavolamu okolo akcelerace a relativního pohybu. Řečeno bez obalu, když se letoun zakymácí váš nápoj vyšplouchne, protože kvantové vakuum tlačí proti urychlujícím atomům. Ačkoli toto tvrzení doposud přijalo jen málo vědců, je tato možnost tantalizující.

A zde je myšlená šipka, kuriózně ukazující na něco mnohem hlubšího. Kvantová fyzika je proslulá „nelokálností“: vychází z toho, že není možné charakterizovat fyzikální situaci v libovolném bodě v prostoru, aniž by byl zohledněn stav systému v jeho širším okolním prostředí. Kvantové vakuum není žádnou výjimkou, protože jeho stav je definován v celém prostoru. To mu umožnuje „vnímat“ celou strukturu vesmíru, a tím propojit celkové i lokální přesně tak, jak měl na mysli Mach. Tato nelokálnost naznačuje pravděpodobné spojení mezi lokální fyzikou a fyzikou vzdálené hmoty ve vesmíru, které by mohlo být zprostředkováno kvantovým éterem. Mimo jiné by to mohlo vysvětlit, proč sdílíme absolutní rámec akcelerace se vzdálenými hvězdami.

Kvantový éter není Maxwellův éter. Spíše, než aby byl prostředníkem přenášejícím světlo, ze světla – virtuálních fotonů a dalších virtuálních částic, pozůstává. Není ani jako plénum starých Řeků. Původní argumentace řeckých filozofů proti prázdnotě ztratila mnoho ze své platnosti, protože fyzikům dnes už nečiní potíže představa pojetí prázdného prostoru. Dnes už se ptají, zda prostor sám o sobě je skutečně nezbytný. Možná, že vesmír, jak ho známe, je zvláštní konfigurace jakési hlubší kvantové entity, jejíž vlastnostmi můžeme jen hádat. Daleko od odmítnaného vakua, může příroda velmi usilovně pracovat na jeho vytvoření.

překlad – gewo,2003

http://www.newscientist.com/hottopics
http://aca.mq.edu.au/PaulDavies

Paul Davies, bibliografie

1. ‘What happened before the big bang?’ in God for the 21st Century (ed. Russell Stannard, Templeton Foundation Press, Philadelphia 2000), p. 15.
2. ‘Biological determinism, information theory and the origin of life,’ in Many Worlds (ed. Steven Dick, Templeton Foundation Press, Philadelphia 2000), p. 15.
3. ‘Mystery at the end of the universe,’ in The Book of the Cosmos (ed. Dennis Richard Danielson, Helix, Cambridge, Mass. 2000), 516.
4. ‘Transformations in spirituality and religion’ in When SETI Succeeds: The impact of High-Information Contact, ed. Allen Tough (Foundations for the Future, Washington D.C. 2000), 51.
5. ‘Physics and life’ in The First Steps in the Origin of Life in the Universe, ed. J. Chela-Flores, T. Owen & F. Raulin (Kluwer, Dordrecht 2001).
6. ‘The origin of life I: When and where did it begin?’ Science Progress 8, 1 (2001).
7. ‘The origin of life II: How did it begin?’ Science Progress 8, 17(2001).
8. ‘Quantum vacuum noise in physics and cosmology,’ Chaos 11, No. 3 (2001), 1.
9. ‘Detection of negative energy: I. 4-dimensional examples,’ with A.C. Ottewill, Phys. Rev. D. (2002).
10. ‘The ingeniously ordered universe,’ in Time and Tide (John Hunt Publishing, Arlesford, Hampshire 2001), p. 38.
11. ‘Was there a second genesis?’ in The Next Fifty Years (ed. John Brockman, Vintage, New York 2002), 159.
12. ‘Cosmology: black holes constrain varying constants,’ with T.M. Davis & C. Lineweaver Nature 418, 602 (2002).
13. ‚Eternity: who needs it?‘ in The Far Future Universe (ed. G.F.R. Ellis, Templeton Foundation Press 2002), p. 41.
14. ‚Quantum mechanics and the origin of life‘ in Life Among the Stars (eds. R. Norris, C. Oliver & F. Stootman, Astronomical Society of the Pacific 2003).
15. ‚Order from disorder: the role of noise in creative processes,‘ with D. Abbott and C.R. Shalizi, Fluctuation and Noise Letters (in the press).
16. ‚The quest for the dream machine,‘ in Frontiers 02 (ed. Tim Radford, Atlantic Books 2003), p.?.
17. ‚The appearance of design in physics and cosmology,‘ in God and Design (ed. Neil Manson, Routledge 2003), p. 147.
18. ‚That mysterious flow,‘ Scientific American 287, September 2002, p. 40.
19. ‚How to build a time machine,‘ Scientific American 287, September 2002, p. 50.
20. ‚How far can the generalized second law be generalized?‘ with T.M. Davis, Foundations of Physics, in the press.
21. ‚John Archibald Wheeler and the clash of ideas,‘ in Science and Ultimate Reality (eds. J.D. Barrow, P.C.W. Davies & C. L. Harper, Cambridge University Press 2003), in the press.
22. ‚Teleology without teleology,‘ in Panentheism (eds. Philip Clayton & Arthur Peacocke; William B. Eerdmans 2003), in the press.
23. ‚How bio-friendly is the universe?‘ Astrobiology (in the press).
24. ‚Multiverse or design: reflections on a Third Way‘ to appear in proceedings of ‚Universe or Multiverse?‘ Stanford University, March 2003.
25. ‚The physics of downward causation,‘ in the Emergence of Emergence (ed. Philip Clayton, Oxford University Press), in the press.
26. ‚Black hole versus cosmological horizon entropy,‘ with T. M. Davis and C. Lineweaver, Classical and Quantum Gravity, in the press.
27. ‚Does life’s rapid appearance imply an extraterrestrial origin?‘ Astrobiology (submitted).

WM magazin, 2003,   www.mwm.cz