Éterová teorie a povrchové napětí

pátek 23. říjen 2009 20:58

V předchozím příspěvku jsem psal o superhydrofobním jevu jako o důsledku povrchového napětí tekutin. Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako pružná blanka a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimálním napětím. To znamená, že se povrch kapaliny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Čím větší je povrchové napětí kapaliny, tím více se její kapičky snaží zaujmout kulatější tvar. V tomto příspěvku se na povrchové napětí podíváme v širších souvislostech - takových, jakých se dosud neodvážila žádná fyzikální teorie.

Povrchové napětí není přísně vzato záležitost jen kapalin, ale i pevných látek, zvláště beztvarých materiálů, které označujeme jako skla. Skutečnost že tabulku skla lze snadno zlomit teprve po narýpnutí povrchu je právě důsledek toho, že se chová jako velmi viskózní podchlazená kapalina. Pokud se jemné povrchové škrábance odstraní např. odleptáním v kyselině fluorovodíkové, pak se obyčejná skleněná tyčinka začne chovat jako velice houževnatý a pružný materiál a lze na ní dokonce zavázat uzel, dokud ji opět nepoškrábeme. Křemenné kapiláry do plynových chromatografů nebo vlákna optických kabelů se místo toho opatřují tenkou vrstvou vypalovaného laku, která je dokonale zpevní.

Princip povrchového napětí - rozložení sil na povrchu kapaliny

Příčinou povrchového napětí je vzájemné působení přitažlivých a odpudivých sil mezi částicemi kapaliny, které obecně působí všemi směry. Na povrchu kapaliny je tato symetrie narušena, což se projevuje silami povrchového napětí, které působí podél povrchu a snaží se jej zmenšit. Z pohledu éterové teorie je povrchové napětí důsledkem prvního Newtonova zákona setrvačného zákona, podle které se energie i hmota bez působení vnějších sil šíří rovnoměrně přímočaře. Na povrchu kapalin se energie šíří vždy s vyšší hustotou, než v jeho okolí. Obrázek níže to znázorňuje jako důsledek rozdílné rychlosti šíření energie v obou prostředích, které hladinu tvoří.

Na rozhraní hladiny dochází k vzájemnému skládání a interferenci vln s různou vlnovou délkou. V důsledku toho se na hladině kapaliny vyskytuje více vln energie, než mimo ni. Dobře je to patrné třeba na vodní hladině při šíření značného množství energie, jako třeba při explozi miny nebo torpéda při hladině. Naprostá většina energie se přitom rozptyluje v podobě povrchových vln, celková energie tlakové vlny pod hladinou i nad hladinou  je vůči tomu velmi slabá a rychle se rozptyluje, protože se zde šíří prostředím s vyšším počtem rozměrů a intenzita energie při šíření N-rozměrným prostorem klesá s N-1 mocninou vzdálenosti. Hustota šíření energie je výsledek vzájemného kompromisu mezi hustotou a stlačitelností prostředí. Prostředí pod hladinou (voda) má poměrně vysokou hustotu hmoty, ale je málo stlačitelná - právě proto, že je zde tak hustá. Prostředí nad hladinou (vzduch) je sice stlačitelné lépe, ale zase má nižší hustotu právě proto, že má pro své stlačování rezervu. V konečném důsledku se proto většina energie bude šířit v příčných vlnách právě podél gradientu hustoty, tvořeném vodní hladinou, která pro tuto energii tvoří lokální časoprostor.  

Přímočaré šíření energie prostorem je formálně uvažujícími fyziky pokládáno za samozřejmost, protože definuje jeho Euklidovskou geometrii - ale samozřejmé zdaleka není a v éterové teorii jej považuji za důsledek difůzního charakteru šíření energie v částicovém prostředí, tvořícím vakuum. Z tohoto hlediska lze říci, že přímočaré šíření energie vakuem je nejjednodušší důkaz jeho částicové povahy a existence éteru. Difůze je proces samovolného vyrovnávání gradientu hustoty v nestejnorodém prostředí náhodným pohybem jeho částic. Pokud do vody ve stavu beztíže zavěsíme kostku cukru bez míchání, začne se v ní zvolna rozpouštět a její hustota (koncentrace cukru ve vodě) se bude postupně rozplývat v kulovité oblasti v důsledku chaotického pohybu molekul, které nepreferují žádný směr. Záření těles lze podobně intepretovat jako proces difuzního rozptylování jejich hmoty na záření, které je tím rychlejší, čím má povrch tělesa vyšší teplotu stejně, jako při vypařování kapky vody nebo rozpouštění cukru. 

Protože na hladině kapalin se energie šíří s největší hustotou a energie má tendenci se šířit rovnoměrně přímočaře, hladina kapalin má tendenci zaujmout nejmenší možný povrch tím, že se vyrovná do zrcadlově rovné plochy. Drobné kapky se přitom vzájemně spojují, protože jejich spojením vznikne větší kapka s rovnějším povrchem, který lépe vyhovuje Newtonovým zákonům. Zde se však vyplatí být pozorný a všímavý, protože celkový povrch kapek se nezmenšuje s jejich přibližováním rovnoměrně. Spojení kapek vyžaduje nejprve přechodné vytvoření úzkého spojovacího krčku, ve kterém povrch získá silně záporné zakřivení. To je zdrojem odpudivé síly, která se snaží kapky udržet od sebe, takže se od sebe na malých vzdálenostech dokonce odrážejí jako malé pružné míčky. Můžeme si toho dobře všimnout zvláště při manipulaci s kapkami kapaliny s vysokým povrchovým napětím, jako je např. rtuť a jiné roztavené kovy.

Spojování menších kapek rtuti do větší 

Analogický jev se projevuje na všech rozměrových škálách. Např. gravitační pole a hmotných objektů se chová jako hustší oblast vakua, čili gravitační čočka, která obklopuje hmotná tělesa. Díky tomu má své vlastní povrchové napětí, takže na svém obvodu vykazuje slabou odpudivou sílu, která od sebe rozhání objekty ve vesmíru jako tzv. temná energie. Atomová jádra se chovají také jako drobné husté kapky, které se při pokusu o vzájemné přiblížení kladou odpor a odmítají splynout, i když se posléze jejich spojením uvolní velké množství energie. Tato odpudivá síla je příčinou, proč se v pozemských podmínkách tak špatně dosahuje nukleární fůze. Konečně u elementárních částic jako jsou elektrony či kvarky se povrchové napětí částic projevuje jako odpudivé síly krátkého dosahu, tzv. slabé jaderné interakce. Tyto síly ve skutečnosti jsou ve skutečnosti velmi silné a dokážou vzdorovat i gravitaci uvnitř neutronových a kvarkových hvězd - působí však jen na nepatrné vzdálenosti, takže se navenek projevují jen při extrémně vysokých hustotách energie a hmoty. Právě slabé jaderné interakci vděčíme za to, že se veškerá pozorovatelná hmota vlastní gravitací ihned nezhroutí do černých děr.

Závislost síly vzájemných interakcí na vzdálenosti u kompozitních částic

V důsledku toho je každá částice hmoty výslednice odpudivých a přitažlivých sil jejího povrchu a interakce působící mezi kompozitními částicemi složenými z menších částic mohou být velmi složité, což je příčinou bohatosti sil působících v našem světě (viz obr. výše). Síly povrchového napětí zvyšují tlak uvnitř malých kapek nepřímo úměrně jejich poloměru. Uvnitř malých kapek vody o průměru jeden mikrometr panuje hydrostatický tlak podobný, jako v hloubce téměř jednoho kilometru. Ještě větší tlak existuje uvnitř atomů a atomových jader a je příčinou jejich extrémně vysoké hustoty. Např. uvnitř atomového jádra existují neutrony, které jsou za normálních podmínek samy o sobě nestálé a během několika desítek minut se rozpadají na proton a elektron. V nitru neutronových hvězd gravitace ale vytváří takový tlak, že je zde rozpad neutronů potlačen a ty se zde chovají jako stabilní částice. Analogická situace panuje i v atomovém jádru - zde však hydrostatický tlak nevytváří gravitace, ale právě povrchové napětí jádra atomu.

V této souvislosti existují od poloviny 90. let teorie, že při srážkách elementárních částic v urychlovačích mohou vznikat stabilní drobné kapky i z částic, které by se za normálních podmínek rychle rozpadaly - tzv. strangelety. Nebezpečí tvorby strangeletů je v tom, že by se slévaly s podobnými částicemi podobně jako kapky rtuti na těžší objekty a chovaly se tak podobně jako miniaturní černé díry s tím rozdílem, že strangelet by rostl jen do určité velikosti, nepřesahující průměr atomového jádra. Energie uvolněná při fůzi elementárních částic na jednotku hmoty by mohla být ještě vyšší, než při slévání atomových jader a pravděpodobně by strangelety rozmetala do celého objemu zeměkoule, se kterou by zreagovaly řetězovitou reakcí. Některé indicie nasvědčují, že nebezpečí vzniku takových superčástic je docela reálné. Již dříve byly pozorovány ve slabších urychlovačích náznaky tvorby kompozitních částic jako glueballs - gluonové koule, tetraneutron nebo pentakvark (částice složené z pěti kvarků). V jiných pokusech při srážkách částic záhadně docházelo ke vzniku rozpadových produktů daleko mimo střed urychlovače, což lze interpretovat např. tak, že tam byly dopraveny v podobě stabilnějších strangeletů, které se teprve následně rozpadly na lehčí částice podobně jako jiskry prskavky.

Rozsah a nebezpečí exploze strangeletů lze v současné době těžko odhadnout, protože jejich modely mají být teprve ověřovány právě srážkami na velkých urychlovačích, jako je právě dokončovaný LHC (Large Hadron Collider) v Cernu, který tak v podstatě testuje svoji vlastní bezpečnost. Je zřejmé, že riziko tvorby strangeletů v urychlovači jako LHC je podstatně vyšší, než případný vznik černých děr, protože nevyžaduje dosažení tak vysokých hustot energie. Dokud nebudou vyvinuty spolehlivější teorie, bylo by zřejmě bezpečnější provádět podobné experimenty v kosmickém prostoru v dostatečné vzdálenosti od Země. Argumenty, které namítají, že Země je bombardována částicemi kosmického záření, které dosahují energie ještě mnohem vyšších než v LHC nejsou průkazné, protože tyto částice se vyskytují vždy samostatně. Jiné teorie naopak předpokládají, že strangelety k nám ze vzdálených oblastí vesmíru skutečně dopadají a vyvolávají např. sluneční protuberance nebo zemětřesení, které se projevují na obou stranách zeměkoule současně, dosud však nebyly potvrzeny.

Budování urychlovačů ve vesmírném prostoru by byl zajisté velmi drahý a za současného stavu technologií těžko realizovatelný projekt, ale některé okolnosti by jej současně oproti LHC podstatně zlevnily. Rozměry urychlovače ve vesmíru by mohly být prakticky libovolné, což usnadňuje dosahování vysokých energií - většina energie v pozemských urychlovačích se totiž spotřebuje na udržování nabitých částic na zakřivené dráze, podél které vyzařují tzv. synchrotronové záření. V kosmickém prostoru bychom ušetřili náklady za složité a nákladné chlazení supravodivých magnetů, složité stínění proti otřesům a odčerpávání trubice urychlovače na vysoké vakuum - takový urychlovač by totiž nemusel obsahovat vůbec žádnou trubici, protože v kosmickém prostoru je to nejlepší vakuum, jaké si lze v pozemských podmínkách představit.

Za současného stavu projektu LHC, na jehož dokončení je zainteresováno příliš mnoho lidí, však nezbývá než doufat, že velikost Země je vesmírnou evolucí nastavena tak, že inteligentním bytostem neumožňuje provádět skutečně nebezpečné experimenty na jejím povrchu. Nedávno se objevila vážně míněná teorie, podle které je důsledkem takové nemožnosti i zastavení amerického projektu urychlovače SSC na začátku 90. let nebo nedávná havárie urychlovače LHC, která zpozdila jeho uvedení do provozu. Nejsem však zdaleka sám, komu tyto pojistky nepřipadají zcela dostatečné, protože - jak jednou Albert Einstein napůl žertem poznamenal - lidská hloupost může přesahovat měřítka viditelného vesmíru a jakékoliv jeho zákonitosti.  

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

Související články