Vakuum jako metamateriál 2 a bubliny antičástic

sobota 17. říjen 2009 18:43

V předchozím příspěvku byl uveden model vakua jako houbovitého metamateriálu, tvořeného směsí částic a dutinek, díky kterému se světlo šíří v okolí černých děr po zakřivené dráze, dokud nezmizí v horizontu událostí. Dnes se na tento model podíváme podrobněji a vysvětlíme si jeho důsledky pro svět antičástic a narušení symetrie ve vesmíru.

Bezdisperzní chování vakua lze vysvětlit tím, že má houbovitou strukturu, kterou tvoří vyvážená směs fluktuací s kladným i záporným zakřivením, podobně jako je tomu u fluktuací hustoty v plynech. V takovém systému jsou vlny světla rozptylovány i soustřeďovány zároveň do vlnových balíků, kterým říkáme fotony. Takové vlnové balíky lze vidět i ve střední části animace zobrazené níže, kde je prostředí pro šíření vln tvořeno metamateriálem.

Šíření vln tenkou vrstvou metamateriálu

Dále jsme si uvedli, že metamateriál je prostředí, ve kterém se rychlost a propustnost světla řídí Kronig-Kramersovou rovnicí, která popisuje současně normální i anomální disperzi. Z výše uvedeného vyplývá, že maximální propustnost vakuum nabývá přesně v místě, kde se kladné zakřivení křivky rychlosti světla mění v záporné, tedy podíl fluktuací s kladným zakřivením ("překážek") v metamateriálu právě odpovídá podílu fluktuací se záporným zakřivením (tj. "bublin"). Pokud je tomu tak, můžeme se zeptat, proč tedy není vesmír zcela symetrický? V takovém vesmíru by byla anomální disperze stejně častá, jako ta normální.

Závislost rychlosti a propustnosti na vlnové délce

Odpověď nám poskytnou opět Kronig-Kramersovy rovnice. V prostředním bodě, kde jsou obě křivky symetrické (označeném hodnotou ν0) není rychlost světla zcela minimální - minimální hodnoty nabývá teprve pro poněkud vyšší hodnoty vlnočtu v bodě, označeném červeným kroužkem. To má závažné důsledky pro vzhled pozorovatelného vesmíru. Vesmír, ve kterém by bylo zakřivení časoprostoru vyvážené na obě strany by byl podstatně menší, než ten současný, protože by se v něm světlo šířilo mnohem rychleji - podobně jako ve vesmíru krátce po Velkém třesku. Podle éterové teorie je vakuum tvořeno dynamickým systémem fluktuací s kladnou i zápornou křivostí, tedy částic i bublinek, které reprezentují virtuální páry částic a antičástic. Pokud budeme vakuum pozorovat tak, aby byla zachována současně podmínka největší možné propustnosti i nejnižší možné rychlosti současně, bude vesmír vždy poněkud nesymetrický a posunut směrem k obsahu fluktuací s kladným zakřivením, které označujeme jako částice hmoty.

Už britský fyzik Paul A. Dirac, který existenci antičástic v roce 1928 poprvé předpověděl, považoval antičástice za éterové bubliny se záporným zakřivením, které vzniknou jako jakýsi protějšek tvorby normálních částic, tedy fluktuací s kladným zakřivením. Na zdánlivě prázdné vakuum se podle něj můžeme dívat jako na hustou směs virtuálních částic a antičástic, která čas od času naruší svou rovnováhu. V okamžiku, kdy v něm vznikne částice normální hmoty, měla by v něm současně vzniknout i částice antihmoty. Je-li tomu tak, nezbývá než se zeptat, kam se tedy všechny antičástice poděly?

Odpověď nabízí model vakua, podle kterého byla rovnováha mezi částicemi a antičásticemi narušena právě expanzí vesmíru v průběhu inflace krátce po Velkém třesku. Tu si můžeme představit jako rychlé zahuštění fluktuací v nasycené páře, které ochlazením získají charakter řídké houby, nebo jako proces stárnutí husté pěny, která vznikne protřepáním lahvičky se šampónem. Malé bublinky a fluktuace v takové směsi rychle zanikají a stěny bublin se ztenčují (viz animaci níže). Tím se rychlost šíření energie ve vesmíru výrazně zpomalila, protože se omezilo na membrány nově vzniklé kvantové pěny tvořící časoprostor, podél kterých se světlo šíří relativně zvolna podobně jako vlny na vodní hladině. Zpomalení rychlosti světla vnímáme dnes z pohledu pozorovatelů uvnitř vesmíru jako prudké nafouknutí časoprostoru a velikosti vesmíru, čili tzv. inflaci.

Průběh kondenzace kvantové pěny v procesu inflacePovrch bublin s kladným zakřivením není stejný, jako povrch se záporným zakřivením, pokud membrány bublin mají nenulovou tloušťku

Pokud se podíváme na vzniklou pěnu podrobněji, shledáme, že každá bublina je tvořena dvěma povrchy: vnitřním s kladným, vnější se záporným zakřivením. Dnes, tj. dávno po proběhlé inflaci a kondenzaci vakua jsou membrány bublin velmi tenké a vzniklé povrchy se prakticky neliší absolutní hodnotou svého zakřivení. Proto se také dnešní antičástice kromě svého náboje svými vlastnostmi příliš neliší od normálních částic (vysvětlení náboje částic éterovou teorií probereme později). Na začátku inflace vesmíru tomu tak však zdaleka nebylo, protože bubliny byly tehdy relativně malé, stěny bublin byly tlusté a povrchy s kladným zakřivením byly silně preferovány ve prospěch povrchů se zakřivením záporným. V takové směsi měly antičástice výrazně kratší dobu života a rychleji se rozpadaly na lehčí částice. Na ty antičástice, které zbyly působila gravitační síla slaběji, než na normální částice a byly vytěsněny na okraj galaxií do oblak tzv. temné hmoty.

Proces separace hmoty od antihmoty lze pochopit díky tomu, že zakřivení časoprostoru v okolí hmotných objektů má profil zvonovité křivky (často se modeluje pomocí koule zavěšené na pružnou membránu). Zatímco v okolí Země je zakřivení časoprostoru kladné a gravitace je zde přitažlivou silou, ve větší vzdálenosti od Země se projevuje vliv slabého záporného zakřivení časoprostoru jako slabá antigravitační síla (viz animace výše), která expanzi vesmíru stále zrychluje jako tzv. temná energie. Částice se záporným zakřivením, jako jsou bubliny antičástic jsou do těchto míst přitahovány silněji než obyčejné částice a postupně se zde hromadí v podobě fluktuací temné hmoty. Tyto fluktuace jsou zcela řídké, ale protože jsou velmi rozsáhlé a obsahují hodně materiálu, umožňují snadno vysvětlit zdánlivě pozorovaný nepoměr v množství hmoty a antihmoty ve vesmíru.

Astronomická pozorování z poslední doby skutečně prokázala, že v okolí Země či velkých černých děr existuje vyšší koncentrace antičástic, které se zde prozrazují tím, že čas od času v důsledku vzájemné anihilace reagují s částicemi normální hmoty za vzniku charakteristického záření, které lze zachytit rentgenovými observatořemi z oběžné dráhy. Definitivní důkaz těchto předpovědí však může přinést teprve přímé srovnání gravitačních vlastností hmoty a antihmoty (např. porovnání rychlosti pádu jednotlivých atomů v gravitačním poli Země) v případě, že se jí podaří vyrobit dostatečné množství v nenabité formě, tedy jako volné neutrální atomy. Protože gravitace je ve srovnání s elektromagnetickými silami velmi slabá, nelze její projevy pro elektricky nabité antičástice spolehlivě ověřit.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík