Prázdno v roli velmi silného mikroskopu

Jedna z velkých otázek lidstva zní: Z čeho jsme stvořeni? Ke studiu malých částí našeho světa jsme se naučili používat mnoho nástrojů, a s rozvojem jaderné fyziky dokonce i prázdno.

Již Leukippos a Démokritos, filozofové ze starověkého Řecka, doložitelně rozvíjeli myšlenku atomismu, tedy vesmíru složeného z malých nedělitelných částeček pohybujících se v prázdnu. Nicméně praktické ověření těchto myšlenek naráželo na rozlišovací schopnost lidského oka. Využitím různých optických čoček, složených do mikroskopů, lze použít světlo ke zvětšení malých objektů až do rozměrů srovnatelných s vlnovou délkou viditelného světla. Pokud chceme nahlédnout do ještě menších rozměrů, potřebujeme zmenšit vlnovou délku světla, která je nepřímo úměrná energii fotonu reprezentující toto elektromagnetické záření.

Částicová fyzika je moderní fyzikální obor, který se zabývá studiem částic a sil tvořících základní stavební bloky našeho světa. Během více než sto let bádání zformovala pomocí kvantové teorie pole svoji momentálně nejúspěšnější teorii, standardní model. Ten dělí částice do dvou skupin. Jedna skupina jsou částice hmoty, tedy kvarky, ze kterých jsou vytvářeny např. protony a neutrony, a leptony, to jsou například elektrony. Druhou skupinu tvoří nosiče sil, které zajišťují interakce mezi hmotou, například fotony či gluony.

Tyto elementární částice nemají definovaný rozměr, nicméně jejich vzájemná interakce může vytvořit kompozitní částici, například již zmíněný proton s rozměry okolo 10⁻¹⁵ metru. Tato velikost není náhodná. Odpovídá totiž efektivnímu dosahu silné interakce, tedy síly, která prostřednictvím gluonů udržuje kvarky pohromadě. Jeden nebo i více protonů a neutronů (obecně zvaných nukleony), které jsou k sobě vázané právě silnou interakcí, mohou tvořit atomové jádro. Největší jádra atomů, tvořená stovkami nukleonů (úplně největší, uměle vytvořený je oganesson a má 294 nukleonů), dosahují velikosti 10⁻¹⁴ metru.

Prázdný atom

Když se dostaneme na větší rozměry 10⁻¹⁰ metru, tedy rozměry atomu, přestaneme rozpoznávat jednotlivé nukleony, nýbrž budeme vnímat atomové jádro jako celek, který má kolem sebe elektronový obal, v němž se nacházejí elektrony. Chování těchto valenčních elektronů vůči jádru je diktováno kvantovou elektrodynamikou, částí standardního modelu zabývající se elektromagnetickou interakcí zprostředkovanou fotony. Ale kde se ty fotony vlastně berou? Vždyť elektrony jsou hrozně malé, atomové jádro také, takže atom sám o sobě je vlastně hlavně prázdno!

1. Hluboký nepružný rozptyl vyobrazený pomocí diagramu, který vyobrazuje časový průběh srážky, kde čas probíhá zleva doprava (vlnka je běžné označení pro dráhu fotonu a neznačí časovou informaci). Lepton interaguje s kvarkem z jádra pomocí virtuálního fotonu (γ*).

Kvantová teorie pole popisuje prázdný prostor jakožto základní stav tohoto pole. Toto pole se může vybudit do vyššího energetického stavu a takový lokální vzruch se v případě elektromagnetického pole nazývá foton. Analogicky si můžeme představit třeba strunu na kytaře. Pokud na ni nikdo nehraje, je v základním stavu. Pokud drnkneme do struny, tedy vybudíme ji do vyššího stavu, bude se prostorem šířit mechanický vzruch, který uslyšíme jako tón. Potom lze říct, že atom je prázdný od fotonů, i když je vlastně zcela zaplněný elektromagnetickým polem, stejně jako je kytara zticha, ale ta struna tam stále je.