Vakuum – Prázdnota, která není prázdná

V běžném jazyce označuje vakuum prostor, kde „nic není“ – žádný vzduch, žádné částice, žádný život. V technickém smyslu však vakuum znamená stav, kdy je tlak plynu nižší než atmosférický tlak. Dokonalé vakuum, ve kterém není ani jedna částice, je ideál, kterého se snažíme co nejvíce přiblížit, ale nikdy ho zcela nedosáhneme.

Slovo vakuum pochází z latiny. Doslova znamená „prázdnota“ nebo „prázdné místo“. Latinsky: vacuus = prázdný, vacuum = „prázdný prostor“. Tento pojem se začal používat ve vědeckém kontextu zejména v 17. století, kdy fyzikové jako Evangelista Torricelli a Blaise Pascal experimentovali s vývěvami a sloupci rtuti. Tehdy šlo o kontroverzní pojem, protože podle Aristotela „příroda vakuum nesnáší“ (horror vacui) – myšlenka, že v přírodě nemůže existovat prázdný prostor.

Jak se vakuum vytváří a měří?

Vakuum vytváříme pomocí vývěv – zařízení, která odsávají molekuly plynu z uzavřeného prostoru.

Míru vakua měříme pomocí tlakoměrů. Hodnoty se často udávají v pascalech (Pa) nebo v torr (mm Hg). Například:

Atmosférický tlak: ≈ 101 325 Pa
Hrubé vakuum: ≈ 10⁵ – 10² Pa
Střední vakuum: ≈ 10² – 10⁻¹ Pa
Vysoké vakuum: ≈ 10⁻¹ – 10⁻⁵ Pa
Ultravysoké vakuum: ≈ 10⁻⁵ – 10⁻¹⁰ Pa

Proč je vakuum důležité ve fyzice?

• V urychlovačích částic – například v LHC (CERN) je nutné extrémní vakuum, aby částice mohly cestovat bez kolizí s molekulami vzduchu.
• V kosmickém výzkumu – vesmír sám o sobě je téměř vakuum, což má zásadní vliv na pohyb těles a šíření elektromagnetického záření.
• Ve výrobě čipů a nanotechnologií – čisté prostředí bez kontaminace je nezbytné.
• V kvantové fyzice – pro pozorování kvantových jevů bez rušivých vlivů.

Je vakuum opravdu prázdné?

Ačkoliv si vakuum představujeme jako „nic“, moderní fyzika ukazuje, že vakuum není zcela prázdné.

Podle kvantové teorie pole je i vakuum plné „virtuálních částic“, které neustále vznikají a zanikají. Tento jev, známý jako kvantové fluktuace, má měřitelné důsledky:

Casimirův jev – dvě kovové desky ve vakuu se přitahují kvůli změně kvantových fluktuací mezi nimi.

Hawkingovo záření – teoreticky vzniká u černých děr právě díky kvantovým fluktuacím ve vakuu.

Vakuum a princip neurčitosti

Podle Heisenbergova principu neurčitosti nelze současně s nekonečnou přesností určit určité dvojice fyzikálních veličin – například polohu a hybnost částice. Tento princip má zásadní dopad i na to, jak fyzika chápe vakuum. I když bychom si představovali, že ve vakuu není žádná částice, kvantová mechanika říká, že energie elektromagnetického pole v prostoru nemůže být zcela nulová, protože to by znamenalo, že známe přesně jak polohu (všude nic), tak energii (rovněž nula), což odporuje principu neurčitosti. Výsledkem je, že i ve „zcela prázdném prostoru“ dochází k neustálému vření virtuálních částic a antičástic, které vznikají a opět zanikají v extrémně krátkém čase.

Tento jev je znám jako kvantové fluktuace vakua a je přímo důsledkem neurčitosti v energii a čase. Ukazuje se tedy, že vakuum není jen prostý nedostatek hmoty – je to aktivní kvantové pole, které je v neustálém pohybu, i když z pohledu klasické fyziky „nic neobsahuje“.