Drahý Time,

zatímco v minulém článku jsme se zaobírali hlavně tím, co se bude dít kolem nás, když pojedeme autem o velikosti pouhého atomu, dneska se podíváme na interiér vozu. Tedy, bylo to v plánu, když jsem tenhle článek začínal, ale nakonec se to zase zatočilo kousek jinam. Ale i tak, bude platit - divný, divnější, nejdivnější, kvantový.

Dualita vlnění a částice, otec a syn Thomsonovi

Co je vlastně svět na těch nejmenších úrovních? Zatímco nám známy „makro“ svět je plný věcí, na které si můžeme sáhnout, jak to vypadá v kvantovém světě? Je elektron částice nebo vlnění nebo něco úplně jiného, pro co ještě nemáme přesný mentální obraz? Například slavný britský fyzik Joseph John Thomson dostal v roce 1906 Nobelovu cenu v podstatě za to, že prokázal, že elektron je částice. Jeho syn, George Paget Thomson dostal v roce 1937 Nobelovu cenu v podstatě za to, že prokázal, že elektron je vlnění.

Tato dualita, Time, je Ti určitě dobře známa. Co tedy elektron, nebo v podstatě jakákoliv podobná částice je? Ve své podstatě je elektron kvantový objekt, lepší termín pro to asi není. Je to přesněji řečeno: excitace elektronového kvantového pole. Aneb vítej v teorii kvantového pole. Je to velký rozdíl od chápání kvantové mechaniky, kde elektron sám o sobě byl částice nebo vlna, tady je elektron projevem kvantového pole, asi jako je třeba vlna na hladině rybníku. Hladina je potom jako kvantové pole samotné, protože se na ní dělají vlny.

Co je to vlastně pole

Obrázek jako pole

Trochu jsem týral AI, lepší obrázek jsem z něj nedostal. Teď jak to souvisí s polem: každé políčko má vodorovnou a souřadnici od 1,1 až 13,13 a ke každému políčku můžeš dát hodnotu bílá, žlutá nebo černá. A máš pole barev, které dává obrázek. Dokonce to tak bylo v první počítačové grafice v podobě bitmapy. Odborně se tomu říká dvourozměrné skalární pole, skalár znamená, že je tam jedno číslo, jedna hodnota. Další varianta je vektorové pole, kdy máš hodnotu a směr. Klasicky třeba elektrostatické pole mezi dvěma deskami:

Elektrostatické pole

Každý prvek pole ještě ukazuje, kudy teče proud a jak moc. Nebo gravitační pole Země, to je už ve 3D a každý prvek ukazuje, jakým směrem působí gravitační síla. Podobné je to s elektronovým kvantovým polem, protože jeho popis obsahuje souřadnice v prostoru, ale jeho hodnoty nejsou tak jednoznačné, jsou to spinory.

Pole jako žádné jiné

Pořád se bavíme o elektronovém kvantovém poli, i když se může zdát, že je to jenom šikovný matematický způsob vyjádření, ale pole není skutečné, protože:

• Pole není látka, nemá hmotnost, povrch nebo strukturu.
• Hodnoty pole nejsou fyzikální veličiny, ale operátory ,

není tomu tak. To proto, že:

• Pole se projevuje navenek, má měřitelné vlastnosti a existuje, i když neexistují částice. Třeba jde o známý Casimirův jev, vakuum není prázdnota, ale stav pole
• Pole interaguje s jinými poli, třeba s elektromagnetickým
• A hlavně jeho existenci dokazují výsledky pokusů

Známe celou řadu kvantových polí. Zřejmě jediné, které můžeš pozorovat doma i Ty, je elektromagnetické pole, které je kvantové pole pro foton. V každém bodě prostoru máš potom dva vektory, jeden pro velikost a směr elektrické složky a druhý to samé pro magnetickou složku.

Kromě elektronového, elektromagnetického známe Higgsovo, které je skalární (spin 0), má pouze hodnotu podobně jako barva obrázku a váže se k němu Higgsův boson. Potom jsou to fermionická nebo též spinorová pole třeba pro elektron, kvark a neutrino (spin 1/2) a bosonová pole pro částice se spinem 1 - hlavně foton, gluon.

Nakonec tu máme, jako obvykle trochu stranou, gravitaci. Teoretické gravitony jsme jako částice přenášející gravitaci nenašli, měly by mít spin 2, poli potom říkáme tensorové. Dlouho se mělo za to, že to pole ani polem není, že nepřenáší žádnou energii až do myšlenkového (jak jinak, že?) pokusu s tyčkou a dvěma korálky, se kterým přišel Richard Feynman. V podstatě jde o to, že gravitační vlna deformuje prostor, tím pádem se ty korálky budou po tyčce pohybovat. A protože jsou natěsno, díky tření tu tyčku zahřejí a tím pádem odčerpají trochu energie z gravitační vlny. Kdyby to pole nepřenášelo energii, nebylo by odkud čerpat.

Na tomto principu dnes pracují detektory gravitačních vln, jako je třeba LIGO. Je to Michelsonův laserový interferometr, kříž se dvěma na sebe navzájem kolmými rameny, s délkou ramene 4 km, který dokáže změřit deformaci prostoru o velikosti okolo tisíciny rozměru protonu. Tisícina protonu na 4 km délky. V roce 2015 zaznamenali první detekci a od té doby jich našli už celou řadu, hlavně z takových událostí, jako je sloučení dvou superhmotných černých děr.

Jak říká klasik: „Já se zase zakecal..“, takže o podrobnostech interiéru Tvého auta o velikosti atomu napíšu asi až v roce 26. V každém případě, aby to bylo co nejjednodušší, bude to atom vodík, jeden proton, jeden elektron.

___________________________________________________________________________________

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.