Stručná historie ničeho

V pořadech popularizujících fyziku, se často mluví o tom, že (virtuální) částice vznikají z ničeho. Nebo se tvrdí, že dokonce celý vesmír takto vznikl. K pochopení takových tvrzení ale musíme správně rozumět tomu, co je to nic.

Aristoteles formuloval názor, že hmota se bojí nicoty, že to bude navždy, a skoro dva tisíce let po něm to bylo bráno jako fakt, který prakticky nikdo nezpochybňoval. Ještě totiž téměř neexistovala věda, a tak se lidé jen ptali autorit místo toho, aby experimentovali a pozorovali, a tedy brali realitu jako hlavní kritérium pravdy. Ale Aristotelův poněkud naivní představa nebyla tak zcela empiricky nepodložená. Kritika tu proto není mířena na Aristotela, ale na ty, kteří přijali tento jeho pohled jen proto, že byl autoritou (podobně jako třeba Bibli). V každém případě byl onen názor založen na každodenní zkušenosti, která nicméně nešla příliš do hloubky.

Zkuste si třeba doma vyrobit prázdno, např. se pokuste vysát vzduch z kelímku. Moc se vám to asi nepodaří, příroda se bude tak snažit natlačit vzduch zpět do kelímku ze všech stran, že vám ten kelímek přitiskne k tváři (viz obrázek níže). Že by se tato naše "matka" tak bála prázdna, že nedovolí gravitační síle, aby kelímek spadl, což by on bez onoho pokusu vyrobit vakuum taky skutečně udělal? (Dříve se tomuto "strachu z nicoty" říkalo "horror vacuui".) Nebo když budete vysávat vzduch ze sáčku, tak ho "příroda" dokonce splácne do placky. To jsou přece empirické skutečnosti, které podporují aristotelovské pojetí.

Až v 17. století vznikl pokus, který ukázal, že se něco jen na zemském povrchu vakuu brání a co to je. Byl to Evangelista Torricelli, nástupce Galileiho na postu profesora matematiku na Universitě v Pize, a jeho pokus byste měli znát ze základní školy. Citujme Wiki: "Torricelliho hlavní vynález byl rtuťový barometr, který vzešel z pozorování praktického problému. Pumpaři toskánského velkovévody se pokoušeli dostat vodu do výšky 12 metrů, zjistili ale, že pomocí sací pumpy se výš než do 10 metrů voda nedostane. Torricelliho napadlo použít rtuť, která je cca 13 krát větší hustotu (váhu na kubický centimetr) než voda. V roce 1643 použil 1 metr dlouhou a na jednom konci zaslepenou trubičku, naplnil ji tímto tekutým kovem a postavil ji na výšku do nádržky se stejnou substancí. Sloupec rtuti klesl na hodnotu 76 cm a nad ní vzniklo Torricelliho vakuum." Viz obrázek níže. Trubice byla celá naplněná rtutí (trubice vlevo), z jedné strany uzavřená (dolní konec). Druhý konec ucpal Torricelli prstem, pak otočil a ponořil jej do nádoby se rtutí (trubice vpravo). Pak konec ucpaný prstem uvolnil. Tento tekutý kov začal vytékat, a protože byl horní konec trubice uzavřený, nemohl do ní proudit vzduch a trubice se ani nemohla pro svou pevnost splácnout jako třeba plastové brčko, a proto vzniklo nad hladinou rtuti v trubici vakuum. Sloupec stříbřitého prvku v trubici zůstal v takové výšce, jejíž tlak se vyrovnal tlaku celého sloupce 100 km vysoké atmosféry. Pochopitelně stejný tlak dává i 10 metrů vody zmíněných výše. Své pochopení, co že to brání na zemském povrchu vakuu, vyjádřil Evangelista památnou větou: "Žijeme potopení na dně moře vzduchu."

Po něm jeho myšlenku podpořil Blaise Pascal. Ten vynesl Torricelliho pokus na vysokou věž v Paříži a později na horu Puy-de-Dome. Tím zjistil a ověřil, že sloupec rtuti vystoupá na tím nižší úroveň, čímž výše je zařízení umístěno. Z toho se dalo odvodit, že s tím mořem vzduchu měl Torricelli pravdu, a když stoupáme k jeho "hladině", tlak klesá. Samozřejmě "hladina" atmosféry není tak ostrá, jako hladina moře. Nicméně bylo už zřejmé, že atmosféra někde končí a dál už je jen prázdnota. Že tedy ta oblast, která se bojí nicoty, vakua, je malinká a výjimečná, je jen těsně kolem Země, a prázdnota je prakticky všude ve vesmíru. Příroda se tedy asi vakua nebojí.

Sílu vakua demonstroval v roce 1654 Němec Otto von Guericke, který vývěvou, kterou vynalezl, vytvořil vakuum mezi dvěma měděnými polokoulemi o průměru asi 50 cm. Tyto dvě polokoule "strachem z vakua", tedy tlakem atmosféry, k sobě tak silně přilnuly, že údajně až 30 koní je nebylo schopno od sebe odtrhnout, viz následující obrázek. Tím velmi přesvědčivě dokázal existenci atmosféry a její sílu, resp. sílu vakua. Po městě, kde Otto žil a pokusy dělal, a později byl jeho starostou, se tyto polokoule nazývají Magdeburské.

Po těchto pokusech už bylo jasné, že horror vacuui je spíše dogma a že je situace složitější. Ale strach z prázdna se vrátil v jiné podobě. Když je třeba budík umístěn ve vakuu pod skleněným poklopem, tak i když zvoní, nic neslyšíme. Zvuk je totiž kmitáním vzduchu (nebo jiného plynu či kapaliny nebo pevného tělesa). A když není vzduch, není zvuk slyšet. Jenže pozor! Zádrhel je v tom, že takový budík přesto vidíme. Tedy světlo prochází i vakuem, ne jako zvuk. Světlo je elektromagnetické kmitání a dalo by se usoudit, že když je zvuk kmitáním vzduchu, musí být i světlo kmitáním něčeho. To něco bylo nazváno světlonosným éterem. Je to tedy tak, že nicota nakonec není ani ve vakuu, tedy nikde? Tuto otázku zodpovíme příště. Teď jen dodejme, že skvěle vykládá historii "ničeho" Al Khalili na přiloženém videu.