Fotony vytřesené z vakua

Vakuum znamená pro většinu z nás prostě prázdno, úplné prázdno. Proto představa, že zatřeseme-li zrcadly ve vakuu, začnou se řinout fotony, nám zní jako „Oslíčku, otřes se“! Jde ovšem o seriózní závěry kvantové elektrodynamiky – kvantové teorie elektromagnetického pole. Nedávno se vědci pokusili odhadnout množství takto vytvořitelných fotonů a přehodnotili názory o neproveditelnosti takového experimentu (Physical Review Letters 77, 615, 1996, Nature 382, 761, 1996).

Z hlediska kvantové elektrodynamiky není vakuum (kvantové vakuum) absolutní nic bez energie, ale má jistou „nulovou“ energii a hemží se virtuálními fotony, které vznikají a zanikají. Jsou důsledkem kvantových fluktuací, které existují vždy i ve vakuu a při absolutní nule teploty. (Možná celý náš vesmír vznikl jako obrovská fluktuace metastabilního vakua.) Virtuální částice nemohou být detektovány, ale mohou produkovat měřitelné reálné jevy, neboť interagují (neenergeticky) s reálnými částicemi. Takové interakce vyvolávají např. spontánní emisi vybuzených atomů nebo molekul.

Jedno ze známých „kouzel“ kvantové elektrodynamiky je vznik přitažlivé síly mezi dvěma paralelními zrcadly ve vakuu, tzv. Casimirův jev (podle holandského fyzika Hendrixe B. G. Casimira, který jev předpověděl r. 1948, viz rovněž Vesmír 72, 147, 1993/3; Casimirův efekt byl experimentálně potvrzen o deset let později). Příčinou tohoto zvláštního jevu je porušení kvantového vakua odrážejícím rozhraním. Před 20 lety popsali S. Fulling a P. Davies dynamickou obdobu Casimirova jevu. Odvodili, že jedno zrcadlo nebude narušovat kvantové vakuum, pokud bude v klidu, v rovnoměrném pohybu, nebo dokonce rovnoměrně zrychlované. Nerovnoměrně zrychlované zrcadlo ovšem způsobí narušení vakua a vede ke vzniku fotonů z vakua. Pro získání měřitelného množství fotonů tímto způsobem by ovšem zrychlení bylo nereálně velké.

Nyní přišli A. Lambrechtová, M-T. Jaekel a S. Reynaud s novou myšlenkou zesílit produkci fotonů z vakua použitím dvojice zrcadel (tedy rezonátoru – dutiny), z nichž jedno nebo obě budou kmitat s určitou frekvencí. Výpočty ukazují, že při pohybu s frekvencí řádu GHz (10⁹ Hz) a s výchylkou několik nm (10^–9 m) bude vycházet z dutiny asi 10 fotonů za sekundu a asi 10 fotonů bude uvnitř. Maximální rychlost zrcadla bude jen 1 m/s – podstatně menší než limitující rychlost zvuku v materiálu, z něhož je zrcadlo vyrobeno – ale problém je, jak dosáhnout tak vysoké frekvence pohybu. „Spočítat“ jednotlivé fotony vycházející ven i ty, které zůstaly uvnitř, dnes už není problém (viz glosu „Fotony skutečně jsou“, Vesmír 75, 654, 1996/11). Aby se zamezilo přítomnosti tepelného záření, bude muset experiment probíhat za velmi nízké teploty a s vysoce kvalitními supravodivými zrcadly.

Hlavní je, že experiment lze zřejmě uskutečnit už při dnešním stavu techniky. Úspěch by byl důležitým potvrzením našich představ o kvantovém vakuu, což by mělo dalekosáhlé důsledky sahající od kvantové mechaniky, teorie relativity až po kosmologii.