Kvantová pole a podstata magnetismu. Proč nežijeme v prázdné krabici?

Většina z nás si vesmír odmalička představuje jako obrovskou krabici, do které příroda nasypala atomy, planety a hvězdy. V jednom ze svých starších textů o kvantové elektrodynamice a virtuálních fotonech jsem magnetismus vysvětloval pomocí klasické učebnicové pomůcky – bruslařů na ledě, kteří si hází těžkým medicinbalem. Jenže čím víc jsem o tom přemýšlel, tím víc mi bylo jasné, že tato představa létajících projektilů v prázdnu má obrovské trhliny. Moderní fyzika nám totiž ukazuje, že realita je fundamentálně jiná.

Vesmír kolem nás rozhodně není prázdná krabice. Celý prostor – od vašeho obývacího pokoje až po nejvzdálenější mezigalaktické hlubiny – je až po okraj napěchovaný neviditelnou, ale naprosto reálnou strukturou kvantových polí. Tím nejdůležitějším pro náš každodenní hmatatelný život je pole elektromagnetické. My lidé i veškerá hmota jsme v něm doslova nepřetržitě ponořeni.

Druhým klíčovým zjištěním je fakt, že náš svět není plynulý. My ho sice vnímáme jako hladký, stejně jako na svém monitoru vidíte celistvý obraz, ale pod mikroskopem zjistíte, že obrazovka se skládá z jednotlivých pixelů. Fyzika odhalila totéž. Energie v tomto neviditelném oceánu se nepřelévá spojitě. Předává se výhradně po přesně daných, nedělitelných balíčcích, kterým říkáme kvanta. Půl kvanta jednoduše neexistuje, stejně jako nerozsvítíte půl pixelu. Tento princip zrnitosti navíc pravděpodobně platí i pro samotný prostor skrze takzvanou Planckovu délku – nejmenší možnou fyzikální vzdálenost. Realita tak možná není hladká polévka, ale zrnitá mřížka.

Představa, že hmota deformuje neviditelné pole, svádí k myšlence: Není to náhodou to samé, co dělá gravitace se samotným prostorem? V článku o podstatě gravitace a singularitě jsem rozebíral, jak hmota zakřivuje prostoročas. Je tu ale zásadní rozdíl, který musíme striktně oddělit.

Náš vesmír si můžeme představit jako obrovské divadlo. Gravitace (prostor a čas) tvoří samotnou budovu divadla, jeviště a prkna, po kterých se chodí. Kvantová pole – včetně toho elektromagnetického – představují herce a kulisy stojící na tomto jevišti. Když do scény vstoupí obrovská hmotnost (například planeta), prohne samotná prkna jeviště. Když se ale objeví částice s elektrickým nábojem (třeba elektron), nechá podlahu divadla v klidu a lokálně napne a zdeformuje pouze přítomného neviditelného herce, tedy elektromagnetické pole. Prostor a kvantové pole obývají stejné místo, ale představují dvě odlišné vrstvy reality.

Jakmile přijmeme fakt, že jsme ponořeni v napnutém elektromagnetickém poli, logicky vyvstává otázka: jak se v něm rodí a pohybuje světlo? A proč vlastně nese název složený ze dvou slov – elektromagnetické?

Příroda zde využívá elegantní provázanost. Když elektron v poli prudce rozkmitáte (například žárem ve vlákně žárovky), nerozkmitá se elektrická a magnetická složka na střídačku jako nohy při chůzi, jak se občas chybně traduje. Kmitají v naprosté shodě, bok po boku a ve stejné fázi – v identický okamžik dosahují svého vrcholu i své nuly. Jsou na sebe kolmé a tvoří dvě neoddělitelné tváře téže mince. Tento synchronní rozruch se utrhne od svého zdroje a vyrazí prostorem rychlostí světla.

Když se díváte na světlo, doslova sledujete vlnu v elektromagnetickém poli, která se řítí vakuem díky tomu, že obě její složky kmitají v absolutní synchronii. Kdyby toto pole neexistovalo, světlo by se nemělo v čem vlnit a náš vesmír by byl dokonale temný. Odtržená vlna představuje onen nedělitelný balíček energie – jeden jediný foton. A kolik energie si v sobě tento konkrétní posel nese, určuje výhradně frekvence jeho kmitání: pomalejší kmity znamenají fotony s menší energií, které na kůži cítíme jako sálavé teplo (infračervené záření), zatímco rychlejší kmitání nese fotony s vyšší energií, jež náš zrak vnímá jako viditelné barvy.

Zatímco světlo je vlna, která se utrhla a letí napříč vesmírem, magnetismus představuje silné lokální uspořádání pole, které nikam neodlétá. A jeho chování neřídí žádná magie, ale fundamentální vlastnost termodynamiky – přirozená tendence každého fyzikálního systému snižovat svou energii na minimum a směřovat k rovnovážnému stavu.

Každý elektron má vnitřní kvantovou vlastnost zvanou spin. Chová se v podstatě jako miniaturní magnet se severním a jižním pólem. V permanentním magnetu se miliardy těchto elektronů synchronizovaně srovnají jedním směrem a jejich vliv se sečte. V okolním elektromagnetickém poli tím vytvoří silné uspořádané pnutí, jehož směr a hustotu mapují známé siločáry.

Proč se pak dva magnety přitahují nebo odpuzují? Jde o přímý důsledek této snahy o energetické minimum:

V drtivé většině běžných materiálů – včetně dřeva, plastu či vody – jsou elektrony v atomových orbitalech úhledně spárované do dvojic s opačnými spiny. Jejich magnetické účinky se navzájem vyruší a okolní pole zůstává navenek v klidu.

V železe se však nacházejí elektrony bez parťáka – volní sólisté seskupení do mikroskopických ostrůvků (domén). V běžném hřebíku míří tyto ostrůvky náhodně všemi směry, takže hřebík sám o sobě magnetický není. Jakmile se k němu ale přiblížím s magnetem, železo se zachová jako dokonalý magnetický chameleon:

Znamená to, že dřevo, voda nebo plasty jsou vůči elektromagnetickému poli zcela netečné? Vůbec ne. Veškerá hmota se skládá z atomů obsahujících nabité částice, takže pole reaguje na naprosto jakýkoliv materiál. Tento jev nazýváme diamagnetismus.

Když přiblížíte magnet k běžnému nevodivému předmětu, i dokonale spárované elektrony uvnitř jeho struktury na vnější tlak zareagují. Pozmění své dráhy a vygenerují nepatrné protipole, kterým se snaží vnějšímu tlaku bránit. Tato odpudivá síla je u dřeva či vody miliardkrát slabší než feromagnetismus železa, proto ji u běžného magnetu na ledničce vůbec nezaznamenáte.

Pokud ale použijete extrémně silný elektromagnet (například v laboratorních podmínkách nebo v nemocniční magnetické rezonanci), dokážete elektromagnetické pole zdeformovat natolik, že odtlačí i běžné předměty. Vědci takto v experimentech běžně nechávají ve vzduchu levitovat kapky vody, lískové oříšky, nebo dokonce živé žáby, kterým se nic nestane, protože pole působí rovnoměrně na každý jednotlivý atom jejich tkání.

Pokud je tedy magnetismus mechanickým napínáním a deformací všudypřítomného pole, proč učebnice fyziky neustále operují s pojmem „virtuální foton“ a mluví o poště, kterou si částice vyměňují?

Důvodem je právě ona zmíněná zrnitost vesmíru. Když se dvě deformovaná pole prolnou a magnety na sebe začnou působit, energie a hybnost se nemohou přelévat spojitě. Předávají se po nedělitelných porcích (kvantech). A protože porce elektromagnetického pole se z definice jmenuje foton, zavedli fyzici ve svých výpočtech pojem virtuální foton.

Slovo „virtuální“ je však obrovskou jazykovou pastí. Neoznačuje reálné kuličky létající vzduchem od jednoho magnetu ke druhému. Je to pouze matematický název pro lokální, skokové předávání energie v napnutém poli. Tyto kvantové balíčky existují výhradně uvnitř zóny pnutí mezi magnety. Nikdy se neodtrhnou a neodletí do prostoru jako skutečné světlo ze svíčky. Jakmile magnety oddálíte, lokální napětí v poli pomine a všechny virtuální fotony okamžitě zaniknou.

Elektromagnetické pole, jeho vlny (světlo) i jeho lokální pnutí (magnetismus) dnes dokážeme popisovat s dechberoucí matematickou přesností. Zbývá však jedna zásadní otázka: Jak do této zrnité mozaiky zapadá samotné jeviště – gravitace?

Zde současná teoretická fyzika naráží do zdi. Zatímco elektromagnetické pole je zrnité a skládá se z přesně definovaných kvantových balíčků, Einsteinova obecná teorie relativity popisuje gravitaci a prostoročas jako dokonale hladké a spojité prostředí. Tyto dva koncepty spolu odmítají komunikovat. Teoretičtí fyzici se již celá desetiletí snaží v rovnicích popsat takzvaný graviton – hypotetické kvantum samotného gravitačního pole (podobně jako je foton kvantem elektromagnetismu). Kdykoliv se však pokusíme aplikovat kvantové rovnice na hladké gravitační pole, výsledky okamžitě explodují do nesmyslných nekonečen. Je dokonce možné, že žádný graviton neexistuje a my musíme samotnou podstatu prostoru a času pochopit od základů jinak.

Někdo by mohl namítnout, že až jednou záhadu kvantové gravitace rozluštíme, budeme mít fyziku definitivně hotovou a poznání vesmíru se uzavře. Historie nás ale učí přesný opak. Na sklonku 19. století vládlo mezi mnoha fyziky přesvědčení, že hlavní principy přírody jsou již odhaleny a zbývá pouze zpřesňovat měření v dalších desetinných místech (sám lord Kelvin tehdy mluvil o pouhých „dvou drobných mráčcích“ na nebi klasické fyziky). Jenže z těchto dvou nenápadných mráčků se během několika let zrodila kvantová mechanika i teorie relativity, které tehdejší poznání obrátily vzhůru nohama. Jsem si jistý, že propojení gravitace s kvantovými poli nepřinese konec bádání, ale otevře bránu k dalším stovkám otázek, o kterých dnes nemáme ani ponětí. A právě v tom spočívá ta největší krása vědy.