Od Torricelliho barometru až po kvantové fluktuace – historie vakua odhaluje tajemství prázdnoty a dodnes mění svět vědy.
„Objevitelem vakua, tedy s nadsázkou řečeno ničeho, se stal německý vynálezce a vědec Otto von Guericke. Jako první prokázal, že vakuum skutečně může existovat, a velmi důmyslně svůj poznatek prezentoval. Celých třicet let působil coby starosta Magdeburgu, byl rovněž nadaným filozofem a experimentoval se vzduchovými kompresory i vývěvami – tedy zařízeními na odsávání vzduchu,“ uvádí k tématu magazín časopisu stoplusjednicka.cz, který se tématu také věnoval.
„Díky vynálezu funkční vývěvy roku 1650 vytvořil von Guericke částečné vakuum, a popřel tak aristotelovské dogma, že „příroda nesnese prázdnotu“. Při veřejném pokusu o sedm let později pak demonstroval úžasnou sílu atmosférického tlaku a jeho tzv. Magdeburské polokoule od té doby znamenaly pojem: Vědec k sobě tyto dvě měděné hemisféry přitlačil, odsál z nich vzduch a za každou zapřáhl osm koní, aby je tažením opět rozdělili. Zvířata sice neuspěla, ale při napuštění vzduchu od sebe polokoule odpadly samy a experiment vyvolal úžas diváků i přítomného panovníka. Objev vakua poté umožnil pokroky v mnoha odvětvích průmyslu či elektroniky,“ upřesňuje v krátké citaci dále magazín stoplusjednicka.cz.
Objev a význam vakua: změna vnímání prázdného prostoru
Vakuum, z latinského slova „vacuus“, což znamená „prázdný“, představuje ve fyzice prostor s minimálním počtem částic. Původní představa o vakuu jako o absolutně prázdném prostoru se vyvinula na základě historických poznatků a pokroků v oblasti fyziky. Dnes jsme, že skutečné „dokonalé“ vakuum, kde již neexistuje žádná hmota ani záření, je pouhou teoretickou konstrukcí. Moderní kvantová fyzika odhalila, že i zdánlivě prázdný prostor obsahuje kvantové fluktuace a virtuální části.
První myšlenky o existenci prázdného prostoru
Představy o vakuu se datují již do antických dob. Řecký filozof Démokritos předpokládal, že existuje prázdný prostor, v němž se pohybují atomy. Aristotelés však tuto myšlenku odmítal a tvrdil, že vakuum nemůže existovat, protože příroda „nepřipouští prázdnotu“. Teprve ve středověku se objevily první pokusy prokázat existenci vakua experimentálně.
Jedním z průkopníků, kteří se pokusili vytvořit vakuum, byl italský vědec Evangelista Torricelli, který v roce 1643 sestrojil první rtuťový barometr. Při pokusu naplnit skleněnou trubicí rtuťovou kapalinou zjištěno, že nad hladinou rtuti vzniká prostor, kde je tlak výrazně nižší než atmosférický. Tento prostor byl označen jako vakuum a Torricelli tak dokázal, že prázdný prostor může skutečně existovat.
Experimenty Otty von Guericka: zrození moderní vakuové techniky
V polovině 17. století německý vědec Otto von Guericke zdokonalil techniku vytváření vakua pomocí mechanické vývěvy. Guerickeho slavný experiment s Magdeburskými polokoulemi demonstroval sílu atmosférického tlaku. Dvě mosazné polokoule spojili tak, že z nich vývěvou odčerpal vzduch. Ačkoli byly polokoule spojeny pouze tlakem atmosféry, nebylo možné je od sebe protrhnout ani pomocí týmů tažných koní. Tento experiment měl obrovský dopad na vědeckou komunitu a položil základy moderní vakuové techniky. Guerickeho vývěva byla prvním zařízením schopným relativně nízký tlak a otevřela cestu k dalšímu vakua.
Vakuum a vývoj fyzikálních teorií
S rozvojem experimentální fyziky v 17. a 18. století se zájem o vakuum stále prohluboval. Vakuum začalo hrát klíčovou roli při vývoji teorií o šíření světla a elektromagnetických vln. Isaac Newton a James Clerk Maxwell studovali, jak se světlo a elektromagnetické záření šíří ve vakuu. Předpokládali, že prázdný prostor musí být nositelem těchto vln, což vedlo k představě „éteru“ – hypotetického média, kterým se měly vlny šířit.
Teorie éteru byla později vyvrácena experimentem Alberta A. Michelsona a Edwarda Morleyho na konci 19. století. Tento experiment pro že světlo nepotřebuje žádné médium, a potvrdil, že skutečně představuje prázdný prostor, bez šíření hmoty.
Kvantové vakuum: nový pohled na prázdnotu
S nástupem kvantové mechaniky ve 20. století se ukázalo, že vakuum není zcela prázdné, ale je plné kvantových fluktuací. V kvantovém vakuu probíhají neustále procesy vzniku a zániku virtuálních částic, což souvisí s Heisenbergovým principem neurčitosti. Tyto jevy byly potvrzeny například experimenty, které detekovaly tzv. Casimirův efekt, jenž přitahuje sílu mezi dvěma blízkými deskami umístěnými ve vakuu.
Kvantové vakuum má významné dopady na moderní fyziku, zejména v oblasti kvantové elektrodynamiky (QED) a kvantové chromodynamiky (QCD). Díky těmto poznatkům vědci zjistili, že iv absolutním vakuu může docházet k interakcím, které ovlivňují fyzikální konstanty, jako je permitivita a permeabilita prostoru.
Technologické využití vakua: od žárovky po urychlovače částic
Technické vakuum našlo široké uplatnění v průmyslu i vědě. Hrubé vakuum se používá například při výrobě žárovek a výbojek, kde je potřeba udržovat oxidaci žhavicích vláken. Jemné vakuum se využívá v elektronice, například při výrobě polovodičů nebo rentgenových přístrojů.
Vysoké a ultravysoké vakuum je nezbytné pro urychlovače částic, jako je například velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu. Bez vakua by částice narážely na molekuly vzduchu, což by narušovalo jejich dráhu a snižovalo účinnost experimentů.
Vakuum v kosmickém prostoru
Kosmický prostor představuje přirozené prostředí, kde existuje téměř dokonalé vakuum. Hustota částic ve vesmíru je extrémně nízká – průměrně se zde nachází pouze jeden atom na rychlý metr. Tato extrémní podmínka je ideální pro studium vlastností vakua a kvantových fluktuací.
Pro vědce je vesmírné laboratorní prostředí, kde mohou zkoumat fyzikální jevy, které nelze na Zemi plně reprodukovat. Například detekce gravitačních vln a studium kosmického mikrovlnného pozadí poskytly důležité informace o povaze vakua a jeho roli ve vzniku vesmíru.
Budoucnost vakua: nové objevy a technologie
Výzkum v oblasti vakua pokračuje i dnes, zejména s ohledem na kvantové technologie a jejich využití ve výpočetní technice. Vývoj nových vývěv a vakuových komor umožňuje dosažení ještě nižších tlaků a čistých prostředí pro experimenty. Vědci zkoumají možnosti využití vakua v kvantových počítačích, které by mohly dosáhnout nové úrovně výpočetního výkonu díky minimálnímu rušení.
