Kvantová elektrodynamika a virtuální fotony: Tajná pošta, která řídí náš svět
Jak jsem detailně vysvětloval v článku Jak funguje elektromagnetismus: Spojení elektřiny a magnetismu jednoduše, magnetismus není žádná magie, ale fundamentální přírodní síla.
Když si ale vezmu na pomoc lupu kvantové fyziky a podívám se na ten magnet z úplné blízkosti, zjistím fascinující věc. V mikrosvětě neexistuje žádná "neviditelná aura", která by na dálku tlačila věci od sebe. Aby na sebe dvě částice mohly silově působit, musí si fyzicky předat zprávu. Musí si mezi sebou něco hodit.
Kvantový přenos síly: Proč si magnety potřebují povídat
Tím pošťákem, který přenáší elektromagnetickou sílu, je částice světla – foton. Nejde ale o ten běžný (reálný) foton, který na vás právě teď svítí z obrazovky. Jde o takzvaný virtuální foton. Ten vznikne jen na nepatrný zlomek času čistě proto, aby přenesl hybnost z jedné částice na druhou, a pak zase okamžitě zanikne.
Abych vám to přiblížil, líbí se mi přirovnání (které není moje) s ledovou plochou. Představte si dva lidi na bruslích – to jsou naše atomy v magnetu.
Pokud se tyto atomy mají odpuzovat, začnou si mezi sebou házet těžkým medicinbalem (virtuálním fotonem). Pokaždé, když jeden bruslař ten těžký míč odhodí, zákon akce a reakce ho fyzicky odtlačí dozadu. Když ho ten druhý chytí, náraz ho také postrčí dozadu. Neustálá střelba bilionů takových medicinbalů je to, co cítíte v rukou, když se snažíte magnety přitlačit k sobě.
A jak funguje přitahování? Tady náš selský rozum a běžný makrosvět naráží na své limity. V kvantovém světě totiž matematika dovoluje virtuálním částicím porušovat některá klasická pravidla (mohou mít při zachování rovnic takzvanou zápornou hybnost). Pokud bych to měl k něčemu přirovnat, je to, jako by si ti dva bruslaři házeli bumerangem, který letí k tomu druhému, obletí ho a fyzicky ho "nasaje" směrem ke střelci. Je to podivné a naší intuici to vzdoruje, ale matematika mikrosvěta si zkrátka ráda hraje.
(Kvantový přenos síly: Proč si magnety potřebují povídat)
Kvantová elektrodynamika (QED): Jak Richard Feynman zkrotil nekonečno
Teorie, která tohle vzájemné ostřelování fotony popisuje, se jmenuje Kvantová elektrodynamika (zkráceně QED). Je to historicky vůbec nejpřesnější a nejlépe ověřená teorie, jakou kdy lidstvo vymyslelo. Vděčíme za ni obrovskému géniovi – Richardu Feynmanovi.
Feynman byl naprostý úkaz. Ve volném čase hrál na bonga, luštil mayské kódy a odmítal používat nesrozumitelný akademický žargon. Když se ve 40. letech fyzikové snažili to neustálé házení virtuálních fotonů spočítat, narazili na obrovský problém. Jak už víme z článku Kvantová superpozice: Proč hmota neexistuje, dokud se na ni nepodíváte, částice se v mikrosvětě šíří jako vlna pravděpodobnosti. Teoreticky tak zkouší všechny možné cesty a interakce současně.
Když se to vědci snažili sečíst, výsledkem jejich rovnic byl absolutní chaos a čísla jim neustále rostla do nekonečna. Matematika se doslova hroutila.
(Richard Feynman)
Feynman na to ale šel lišácky a vymyslel systém jednoduchých malůvek, kterým se dnes říká Feynmanovy diagramy. Pomocí obyčejných čar a vlnek si dokázal jednotlivé možnosti interakce nakreslit a zjistil úžasnou věc: čím je ten nákres (interakce) složitější, tím je méně pravděpodobný.
Představte si to na běžném životě: Jdete ráno do práce.
1. Můžete jít přímo (nejjednodušší diagram, obrovská pravděpodobnost).
2. Můžete se cestou zastavit na kávu (složitější diagram, menší pravděpodobnost).
3. Můžete jít na kávu, pak do zoo, tam zakopnout o plameňáka a teprve pak jít do práce (strašně složitý diagram, téměř nulová pravděpodobnost).
Feynmanovy diagramy fungovaly jako dokonalý účetní systém. Fyzikové si díky nim mohli říct: "Ty složité, absurdní cesty mají tak malou pravděpodobnost, že je prostě můžeme odstřihnout a ignorovat." Nekonečna rázem zmizela. Z chaosu vznikla krásná a čistá matematika, za kterou Feynman právem získal Nobelovu cenu, a která nám pomohla pochopit svět, jenž jsem vám představil v článku Vítejte v říši divů: Průvodce kvantovou mechanikou pro zvědavé.
(Kvantová elektrodynamika (QED): Jak Richard Feynman zkrotil nekonečno)
Infobox:
Jak jsme objevili virtuální fotony: Dva důkazy z prázdnoty
Možná si říkáte, jak si můžeme být jistí existencí nějakých „pošťáků“, když okamžitě zaniknou a nedají se vyfotit. Fyzikové na to mají naštěstí dva nezvratné důkazy, za které právem padaly Nobelovy ceny. Když něco nevidíme přímo, hledáme stopy, které to po sobě zanechalo.
1. Casimirův jev (1948): Vědci vzali dvě nepatrné kovové destičky a dali je ve vakuu neuvěřitelně blízko k sobě. Kdyby bylo vakuum dokonale prázdné, nic by se nestalo. Ono je ale plné virtuálních fotonů, které se chovají jako vlny. Mezi destičky se „vejdou“ jen ty nejmenší vlnky, zatímco zvenku do nich naráží virtuální fotony všech možných velikostí. Výsledek? Tlak zvenku je silnější a destičky jsou fyzicky tlačeny k sobě. Není to gravitace (hmotnost destiček je tak mikroskopická, že by s nimi jejich vlastní gravitace ani nehnula). Je to doslova hmatatelný tlak „prázdného“ vakua.
2. Lambův posuv (1947): Dříve se učilo, že elektron obíhá kolem jádra jako planeta. Jak ale dnes víme, elektron tvoří spíše „pravděpodobnostní oblak“ s určitou přesnou energií (energetickou hladinou). Když vědci tuto energii elektronu v atomu vodíku extrémně přesně měřili, zjistili, že je nepatrně odlišná od toho, co diktovaly klasické rovnice. Proč? Protože ten elektron se nenachází v klidném prázdnu. Celou dobu do něj strkají virtuální fotony, čímž jeho pozici nepatrně „rozklepou“ a změní tak jeho energii. Je to, jako byste pozorovali vznášejícího se iluzionistu, do kterého neustále naráží roj neviditelných much, a tím ho nutí spotřebovávat více energie na udržení rovnováhy.
Feynmanovy diagramy: Matematický těsnopis pro kvantový svět
Když chtěli fyzikové před Feynmanem spočítat, jak spolu částice v mikrosvětě interagují, museli popsat celé tabule nepřehlednými rovnicemi. Richard Feynman ale přišel s geniálním řešením. Uvědomil si, že se v těchto výpočtech neustále opakují tytéž matematické bloky. A tak stvořil dokonalý těsnopis pro fyziky.
Feynmanovy diagramy nejsou jen hezké ilustrační obrázky. Každý grafický prvek, který na takovém nákresu vidíte, je ve skutečnosti přímou náhradou za konkrétní a velmi složitý matematický vzorec. Když fyzikové dnes počítají kvantové jevy, prostě si nakreslí diagram. Podle čar a bodů ho pak zpětně převedou do matematiky, ze které jim vypadne přesná pravděpodobnost, že se daná věc (třeba odražení dvou elektronů) skutečně stane.
(Feynmanův diagram)
- Rovná čára (se šipkou): Představuje částice samotné hmoty, tedy například naše elektrony. Šipka přitom neukazuje, kam částice letí v prostoru, ale označuje její náboj nebo tok času.
- Vlnovky a pružinky: Představují částice, které přenášejí sílu (naše "pošťáky"). Obyčejná vlnovka se kreslí pro fotony (světlo a magnetismus), zato pružinka nebo kudrlinka patří gluonům (síla, která drží pohromadě atomové jádro).
- Uzel (Vertex): Místo, kde se rovná čára potká s vlnovkou. To je ten absolutně nejdůležitější bod celého nákresu. Značí přesný okamžik, kdy částice hmoty pohltí, nebo naopak vyzáří částici síly. Právě a jenom v tomto bodě se odehrává samotná interakce.
Brutálně složitá kvantová matematika se tak díky Feynmanovi smrskla do sady jednoduchých čar, které nám umožnily mikrosvět nejen pochopit, ale hlavně ho začít přesně počítat.
Fyzika dotyku a mikrosvět: Proč ve skutečnosti levitujeme na světle
Možná si teď říkáte, že je to sice fascinující, ale týká se to jen fyzikálních laboratoří a magnetů na ledničce. Kdepak! Jak už víme, elektřina a magnetismus tvoří jednu jedinou elektromagnetickou sílu. A tato síla drží pohromadě úplně celý náš hmatatelný svět.
Nedávno jsem se rozepsal o tom, proč námi věci nepropadávají, v článku Proč se nepropadnete podlahou? Podivný svět elektromagnetické interakce. Když se dlaní opřete o stůl, vaše ruka jím neprojde. Není to proto, že by hmota byla tvrdá a pevná (víme přece, že atom je z 99,99 % prázdno). Vaší ruce brání projít stolem právě a jenom to neustálé ostřelování virtuálními fotony!
Elektrony ve vaší dlani a elektrony ve stole po sobě začnou pálit tyto neviditelné poslíčky, aby si sdělily: "Zpátky, my už tady jsme a odpuzujeme se!" Ten pocit tvrdosti, který zrovna teď vnímáte pod svými prsty, když držíte mobil nebo myš od počítače, je ve skutečnosti jen fyzický tlak neviditelného světla.
Infobox:
Slabá a silná jaderná síla: Univerzální jazyk mikrosvěta a srážky v CERNu
Fyzikové díky Feynmanovi a jeho QED zjistili, že "pinkání pošťáků" je naprosto univerzální jazyk celého mikrosvěta. Tímto způsobem nefungují jen magnety, ale i další dvě přírodní síly tvořící takzvaný Standardní model částicové fyziky:
Silná jaderná síla: Zde roli pošťáků hrají částice zvané gluony (od anglického glue = lepidlo). Ty na sebe neustále a extrémní rychlostí střílejí kvarky. Jak jsem psal v článku Vnitřní vesmír: Cesta od atomu ke kvantovému světu, toto vesmírné superlepidlo je to jediné, co drží pohromadě atomová jádra.
Slabá jaderná síla: Tato síla je zodpovědná za radioaktivní rozpad prvků (více v článku Radioaktivita: Skrytá síla, která utváří vesmír i náš svět). Jejími pošťáky jsou bosony W a Z. Jsou to na poměry mikrosvěta extrémně těžké částice s velmi krátkým dosahem.
Tady ale narážíme na logickou otázku: Jak takové poslíčky vůbec objevíme, když žijí jen nepatrný zlomek času jako virtuální částice?
Zjednodušeně řečeno: virtuální částice je jako duch. Fyzikálně si totiž "vypůjčí" energii z vakua, aby mohla na kratičký okamžik vzniknout, předat zprávu, a okamžitě zaniknout, čímž dluh vakuu zase splatí. Ducha vyfotit nemůžete.
Zde proto nastupuje slavná Einsteinova rovnice E=mc² (energie a hmota jsou spojené nádoby) a obří urychlovače částic, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu. Vědci tam urychlí dvě částice téměř na rychlost světla a čelně je srazí. Do místa srážky se vlije naprosto obrovská, reálná kinetická energie. A co se stane? Ten "duch" (virtuální částice) tuto reálnou energii nasaje. Splatí svůj dluh vakuu a z virtuálního pošťáka se najednou zhmotní skutečná, těžká částice (například boson Z), která vyletí ven a narazí do našich detektorů. Urychlovač nám tak umožňuje to neviditelné zákulisí fyziky doslova vykopnout na denní světlo.
Shrnutí: Co je to silové nebo magnetické pole
Když to tedy celé shrnu: To, čemu v běžném životě říkáme silové nebo magnetické pole, není žádná neviditelná magie ani nehmotná aura. Je to ve skutečnosti nepřetržitá, fyzická interakce. Částice si mezi sebou jako zběsilé házejí virtuální fotony, a každý takový „hod“ nebo „chycení“ znamená skutečný kinetický náraz (zákon akce a reakce). Právě tento fyzický tlak bilionů neviditelných pošťáků je to, co cítíte v rukou, když se snažíte přitlačit dva stejné póly magnetu k sobě. Tyto částice si navíc hmota „půjčuje“ přímo z vakua, které není dokonale prázdným prostorem, ale spíše všudypřítomným, neustále bublajícím kvantovým polem.
Spočítat tenhle nekonečný kvantový kulečník, kde se částice navíc chovají jako vlny pravděpodobnosti a zkoušejí všechny cesty najednou, byl pro fyziky matematický zlý sen. A právě proto přišel Richard Feynman se svými diagramy. Tento geniální matematický těsnopis nám umožnil brutálně složité rovnice zjednodušit do přehledných čar a uzlů. Díky nim jsme konečně dokázali tenhle neviditelný tanec mikrosvěta nejen pochopit, ale i s absolutní přesností spočítat.
Sjednocení fyzikálních sil: Od vyřešeného magnetismu k záhadnému gravitonu
Kvantová elektrodynamika nám dala do rukou dokonalý manuál k pochopení toho, jak spolu interaguje hmota a světlo. Je to, jako bychom našli zdrojový kód od samotné reality. Díky tomuto principu výměny částic jsme rozluštili tři ze čtyř základních přírodních sil.
Zůstává mi tu ale jedna velká, bolavá nezodpovězená otázka. Pokud vše v mikrosvětě funguje tak, že si částice vyměňují neviditelné pošťáky, jak je to s gravitací? Jak jsem vysvětloval v článku Podstata gravitace a singularita: Záhada, u které fyzika ztrácí rozum, teoreticky předpokládáme, že i gravitace musí mít svou kvantovou částici – graviton.
Ale ať my lidé stavíme sebesilnější urychlovače, zatím jsme ho nenašli. Zatímco u obyčejného magnetu na ledničce máme pošťáky spočítané do posledního fotonu, ten tichý posel, který drží Měsíc na oběžné dráze a spojuje celé galaxie, nám stále uniká. A právě jeho nalezení je dnes možná tou největší výzvou moderní fyziky.
Děkuji vám, že jste článek dočetli až do konce. Pokud se vám můj přístup k vědě, vesmíru a kritickému myšlení líbí, zvažte prosím vstup do Klubu zvědavců níže. Přes e-mail spolu můžeme zůstat v přímém kontaktu zcela nezávisle na tom, co zrovna dělají algoritmy sociálních sítí nebo vyhledávačů.
