V predchádzajúcich dvoch článkoch sme sa zaoberali tým, ako pozorovatelia, ktorí vzhľadom na seba zrýchľujú, vidia veci rôzne. Teraz zakončíme toto rozprávanie ich rozdielnym pohľadom na prázdny priestor.
Sme inerciálny pozorovateľ a sedíme v úplne prázdnom vesmíre, okolo nás je nič. Vytiahneme teplomer, ktorý ukáže pesimistických 0 kelvinov. Okolo nás prefičí konštantnou rýchlosťou iný pozorovateľ. Ten má svoj teplomer, ktorý ukazuje rovnakú nulu.
Keď však okolo prejde tretí pozorovateľ, ktorý zrýchľuje, jeho teplomer bude ukazovať nenulovú teplotu úmernú zrýchleniu. To, čo je pre inerciálnych pozorovateľov vákuum, je pre neinerciálnych pozorovateľov niečo, čo má nenulovú teplotu. Ako je to možné?
Unruhov efekt
V kvantovej teórii je vákuum stav bez častíc. Častice tam vznikajú ako vlnenia polí – elektróny elektrónového poľa, kvarky patričných kvarkových polí atď. Vo vákuu sú všetky tieto polia v základnom stave bez vlnenia. Nemyslíme tým kvantové fluktuácie, tie tam sú vždy, ale bez skutočných častíc. Dvaja inerciálni pozorovatelia sa vedia zhodnúť na tom, čo takéto niečo – stav polí bez vlnenia – znamená.
V prípade neinerciálneho pozorovateľa je to tak ako vždy zložitejšie a v jeho sústave polia nadobudnú nenulové vibrovania, konkrétne vibrovania s nejakou strednou energiou. Ak si spomeniete na stredoškolskú fyziku, teplota v systémoch súvisí s energiou. V prípade plynu je to kinetická energia molekúl, v prípade kvantových polí ide o strednú energiu ich vibrácií. Tento výpočet spravil v roku 1979 kanadský fyzik William Unruh a efekt nesie jeho meno.
Do vlaku s teplomerom
Unruhov efekt je veľmi malý a dá sa predpokladať, že bude relevantný až pri zrýchleniach porovnateľných s Planckovým zrýchlením, čo je zrýchlenie na rýchlosť svetla za jeden Planckov čas. To prvé je nepredstaviteľne veľa, to druhé nepredstaviteľne málo. O jeho existencii nepochybuje nikto a nájdu sa ľudia, ktorí tvrdia, že tieto efekty už boli schopní aj pozorovať, napríklad v roku 2019 pri experimentoch v CERN-e. Tieto tvrdenia sú však vo vedeckej komunite kontroverzné.
Tak či onak máme k dispozícii ďalší test na zisťovanie rozbiehania sa vlakov. Ak teda sedíte vo vlaku, ktorý nemá okná, viete rozhodnúť, či začal zrýchľovať aj pomocou teplomeru. Ak sa čosi, čo predtým vyzeralo ako vákuum, pri absolútnej nule začne správať ako stav s nenulovou teplotou, začali ste zrýchľovať.
Gravitácia a vyžarovanie
No čo ak ste vo vlaku, ktorý zrýchľuje od nepamäti? Taký vlak je na nerozoznanie od sústavy, v ktorej pôsobí gravitačná sila. A keďže v ňom nevidíme vákuum, ale stav s nejakou teplotou, musí aj gravitácia spôsobovať rovnaký efekt. To, čo sa v sústave bez gravitácie zdá ako vákuum, je v sústave s gravitáciou stav s nenulovou teplotou. Nie príliš veľkou, ale nenulovou a so všetkým, čo takáto teplota prináša – takže aj tepelným vyžarovaním.
Gravitácia a vyžarovanie, to by mohlo znieť ako Hawkingovo žiarenie. A aj keď tieto dva javy majú po konceptuálnej aj technickej stránke veľa spoločného – objavujú sa podobné vzorce a výpočty –, nie je zatiaľ úplne jasné, ako presne spolu súvisia.
V tejto krátkej sérii sme videli, ako svet, fyzikálne zákony a fyzikálne procesy vyzerajú rôzne pre inerciálnych a neinerciálnych pozorovateľov a že zrýchľovanie sústavy má na to veľký vplyv. A pri tom sme sa od šálok s kávou vo vlaku, kyvadiel v Paríži a hodín na vysokých kopcoch nakoniec dostali k horizontom udalostí čiernych dier.
Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space. Vedátora môžete sledovať aj prostredníctvom bezplatnej mobilnej aplikácie.
