Zákon zachování energie nám v běžném životě kazí požitek z jízdy. Jak by to ale vypadalo, kdyby naše auto bylo menší než atom? Pokračování knihy Tim se ptá: Proč a jak funguje vesmír - co se už na papír nevešlo

Drahý Time,
v minulém článku jsem obšírně rozebíral, jak se mění energie jedoucího auta na teplo brzd. Kinetická energie, kterou motorem napumpuješ do auta se musí nějak odstranit, pokud nechcete brzdit jenom odporem vzduchu. Takže ji uložíš do tepla v brzdách a brzdy potom chladíš vzduchem. Nebo když máš Teslu, můžeš brzdit i rekuperací. Ale když vezmeš Teslu a její brutální zrychlení na závodní okruh, dávám Ti kolo, maximálně dvě, než autu uvaříš brzdy, které na podobné zacházení nejsou vyráběné.

Auto menší než atom

Protože se tu pořád bavíme o kvantové fyzice, pojďme se podívat, co by se stalo, kdyby auto mělo velikost podobnou jako atom. Pro rýpaly - je to myšlenkové auto, neřeším, co se při tom zmenšování stane a atomy vlastního vozu. Můžeme sáhnout do pop kultury - měl bys třeba Pymovy částice, jako Ant-Man a zmenšil si tím to auto. První, co by přestalo fungovat, byla navigace. Na takto malé úrovni totiž platí Heisenbergův princip neurčitosti, zjednodušeně řečeno - buďto víš kde jsi, nebo víš jakou rychlostí a kam jedeš. Čím přesněji znáš jednu z těchto provázaných vlastností, tím méně přesné je potom určení té druhé. Jak říká starý vtip:

Policista zastavil profesora Heisenberga v jeho voze a říká mu: „Víte jak rychle jste v obci jel?“ „Neříkejte mi to,“ prosí profesor. „Přesně šedesát dva kilometrů v hodině,“ nedá se obměkčit policista. „Doprčic, teď jsem se ztratil a nevím kde jsem,“ rozhodí rukama Heisenberg.

I když Heisenberg nemluvil o rychlosti, ale o hybnosti. Vědci prokázali toto chování na úroveň atomu, nejen subatomárních částic. Takže kdyby ve svém pidi autě vyrazil z Brna do Prahy, tak bys jel +- 5 m nalevo nebo napravo od středové čáry D1, tím že bys držel směr na Prahu by Ti potom rychloměr ukazoval rychlost od 0 do 500 km v hodině. Vysvětluj to potom policistům, že? Anebo jízdu v pravém pruhu?

Hmota je jenom zmrzlá energie

Asi znáš tu slavnou rovnici, že

E = m.c2,

tedy že hmota a energie se mezi sebou mohou měnit a rychlost světla na druhou je konverzní poměr? Potom by u Tvého auta opravdu hodně záleželo na jeho konstrukci. Kdybychom klasické auto, cca 1500 kg, zmenšili na velikost atomu, stalo by se de facto černou dírou. V tom bys určitě jet nechtěl. Takže pro náš myšlenkový experiment tou auto pořádně odlehčíme.

Malá odbočka - k těm Pymovým částicím: Používají je, aby něco zmenšili, když bylo aktuálně potřeba. Prý to zmenší prostor mezi atomy. Nic proti tomu, on ten atom je v podstatě pidi jádro a kolem řídký oblak elektronů, takže když to zmáčkneš pořádně dohromady, hodně místa ušetříš. Jenomže ta hmota, ta hmota. Ve filmu to vypadá hezky, když máš tank jako klíčenku a pak tím tankem po zvětšení vyjedeš z kolabující budovy, ale taková klíčenka by vážila bratru 60 tun, to už by Ti udělalo pořádnou díru do kapsy. Ale nač si kazit příběh, že jo?

Teď si tedy vezmi, že bys vyrazil na cestu. Záhy bys zjistil, že tvé auto obklopuje podivné světlo. Je totiž běžné, že při pohybu na této úrovni částice vyzařují a vzápětí zase pohlcují virtuální páry fotonů. Nebo vznikne pár elektron a pozitron, na krátký čas, než je zase auto pohltí. Důležité je, že to všechno vidíš jenom Ty, mimo Tebe ve vnějším světě se tahle aktivita nijak neprojeví, ale přesto při kvantových výpočtech musíš tento proces zahrnout, jinak to nevyjde. Energie se mění na hmotu a zase zpátky.

Ale to není všechno. Může se stát, že cestou se Tvoje auto promění na kočár tažený koňmi, nebo na superbike a babetu zároveň. I tohle jsou virtuální částice, které mohou vznikat a zase velmi brzo zanikat. Opět, pozoruješ to jenom Ty, ve vnějším světě nejsou vidět a ani je nedokážeme detekovat. I když se vědci dlouho domnívali, že třeba ty virtuální částice mohou za odchylky při srážkách protonů v LHC, nakonec se ukázalo, že ne. A víš proč? Ano, starý dobrý zákon zachování energie platí i tady, i když v kvantovém světě čas není pozorovatelná veličina.

Čím to rozjedeme?

Teď si vezmi dopředný pohon. Zcela jistě nepůjde měnit chemickou energii benzínu v nádrži pomocí poměrně složitého soustrojí na dopředný pohon. Kola nebudou mít trakci, aby se to celé rozjelo. Spíše bude potřeba něco jako tryska od rakety. Anebo laser. Na téhle úrovni se dá velice dobře urychlovat právě laserem. Posvítil bys laserem dozadu a jako raketa bys vyrazil vpřed. Tím rychleji, čím budeš spotřebovávat palivo na palubě. A když budeš chtít zabrzdit? Přehodíš laser dopředu a budeš svítit před sebe. Prostě na téhle úrovni funguje světlo podobně, jako raketové palivo na makro úrovni.

Je tedy jasné, že nějaké změny směru budeme obstarávat podobně jako u rakety. Musíme mít vpředu i vzadu manévrovací lasery, anebo můžeme použít vektorování tahu. Místo aby na zádi svítil laser v prodloužení osy auta, může ho vyhnout a auto tak bude zatáčet. Tohle také používají rakety, nebo třeba moderní proudové letouny.

Anebo, pokud by bylo k dispozici nějaké pěkné elektromagnetické pole, mohl bys svoji rychlost a směr regulovat pomocí elektrického náboje auta a jeho změny.

Tady to pro dnešek ukončím, v příštím pokračování se dostaneme k panu Schrödingerovi a jeho slavné funkci a myslím, že se obejdeme bez jeho kočky.

A pro přemýšlivé - v článku je schválně jeden špek, kdo ho odhalí v diskuzi, ten si zaslouží opravdu uznání. Oč jde prozradím až v pátek.

Vážený čtenáři, máš před sebou knihu „Tim se ptá: Proč a jak funguje vesmír“. Je to kniha odpovědí na otázky z moderní fyziky, kosmologie, ale také třeba o tom, jak fungují atomové elektrárny, výlet do historie, jak vznikala moderní fyzika a kdo byli její zakladatalé. Věnujeme se i současné kosmonautice, potřebám kolonizace vesmíru a jsou tam i pikaktní detaily, jak kosmonauti chodí na záchod, zdaleka nejčtenější část knihy. Tedy hned po kapitole, jak Jára Cimrman přispěl ke vzniku kvantové mechaniky.
Kniha je určená jak pro děti, ale i z části pro jejich rodiče, pro každého, kdo se laicky zajímá o fyziku a potřebuje zjednodušení složitých odpovědí. Předmluvu ke knize mi napsal Ondřej Neff, na faktickou správnost dohlížel profesor Jiří Chýla z Ústavu fyziky Akademie Věd.Stručně řečeno, Tim se ptal, abyste se už nemuseli ptát Vy :)Cena je 199 Kč + poštovné.

Objednávky směřujte na můj mail: martin.tuma@smartblue.net