Podstatou celého vesmíru je téměř absolutní prázdnota

Josef Myslín  |  Vesmír

Ve všem kolem nás – i v nás samotných – je pouze nepatrné množství skutečné hmoty. Světu vládne prázdno.

Jistě se rádi za teplého dne posadíte na lavičku někde v parku a čtete si oblíbenou knihu. Pokud si při tom myslíte, že sedíte na solidním, pevném předmětu nebo že snad solidní a pevný předmět držíte v ruce, mýlíte se.

A mýlíte se i tehdy, pokud si myslíte, že vy sami jste solidní, pevnou strukturou. Jedná se pouze o iluzi způsobenou nedokonalými lidskými smysly a tím, že zkrátka nejsme schopni vnímat podstatu světa v plném rozsahu. Kdybychom toho byli schopni, viděli bychom, že celý vesmír je deprimující prázdnota, ve které se nachází jen nepatrné množství skutečné hmoty.

Tuto hmotu můžeme vzhledem k jejímu množství směle nazvat znečištěním dokonalé prázdnoty.

Dlouho byly nedělitelné

Jak tedy svět vypadá ve skutečnosti? Již ve starém Řecku filosof jménem Demokritos z Abdér tvrdil, že hmota se skládá z maličkých částic, pouhým okem neviditelných, které nazval atomy. Název pocházel z řeckého slova átomos – nedělitelný. Demokritos tím naznačoval, že tyto částice jsou samotnou podstatou hmoty a nelze je dále dělit a nelze v nich hledat další vnitřní strukturu.

Demokritos, antický filozof
Demokritos, antický filozof

Dva tisíce let nedovolovalo lidské poznání pokročit dále a atomy buď dokázat či zavrhnout. Teprve na začátku 19. století pokročil v bádání chemik John Dalton , jenž došel ke tvrzení, že každý jednotlivý prvek na Zemi je charakterizován určitým typem atomu. Dalších sto let trvalo, než se prokázalo, že atomy nejsou vůbec nedělitelné, ale že se skládají z několika menších, tzv. subatomárních částic. Těm dnes říkáme proton, neutron a elektron.

John Dalton na obrazu „John Dalton a vzestup moderní chemie“ od Henryho Roscoa (1895)
John Dalton na obrazu „John Dalton a vzestup moderní chemie“ od Henryho Roscoa (1895)

Historie elementárních částic

Jako první byl v roce 1897 popsán elektron. Jeho objev je dílem velkého anglického fyzika Josepha Johna Thomsona , ředitele věhlasné Cavendishovy laboratoře. Za objev obdržel v roce 1906 po zásluze Nobelovu cenu.

Joseph John Thomson
Joseph John Thomson

Thomson byl nejen vynikající experimentátor, ale také duchovním otcem mnoha dalších pokusů. Výsledkem jednoho z nich, který vedl další vynikající fyzik Ernest Rutherford , byl objev další elementární částice, protonu. Stalo se tak v roce 1918. O rok později se Rutherford stal sám ředitelem Cavendishovy laboratoře a v roce 1921 předpověděl, že musí existovat další částice, aby byly atomy stabilní.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Tuto částici experimentálně prokázal jeho žák James Chadwick v roce 1932. Není bez zajímavosti, že všichni tři byli oceněni Nobelovými cenami. Všichni byli také pasováni na rytíře a Rutherford byl dokonce povýšen do šlechtického stavu a zemřel jako Ernest Rutherford, 1. baron Rutherford z Nelsonu.

James Chadwick
James Chadwick

Malá zajímavost prokazující velikost Chadwicka: Ve stejné době jako on objevil neutron také německý vědec Hans Falkenhagen , ale bál se zveřejnit své výsledky. Když se o tom dozvěděl Chadwick, nabídl mu, že budou Nobelovu cenu sdílet. Falkenhagen to však ze skromnosti odmítl. Všechny tři základní součásti atomu byly tedy objeveny v jedné laboratoři, byť v laboratoři enormního významu.

Atom zblízka

O tom, jak to vypadá uvnitř atomu, vědci dlouhá léta jen spekulovali. Nakonec to byla jména jako Bohr, Rutherford, Chadwick a další, kteří pomohli strukturu atomu odhalit. Aby bylo jasno, atomy nelze zkoumat tak jako například bakterie. Nelze vzít mikroskop a přímo sledovat, jak atomy či dokonce subatomární částice vypadají.

Vše, co o těchto částicích víme, vědci zjistili tak, že nechali srážet různé částice a sledovali, jak vypadají výsledky těchto srážek. Dnes můžeme tyto srážky provádět s mnohem vyššími energiemi než dříve, proto můžeme odhalit částice a děje dříve nepopsatelné.

Jeden důležitý experiment ukázal strukturu jádra. Když vědci ostřelovali atom jinými částicemi, ukázalo se, že většina z nich atomem proletí. Ale několik málo částic se od něj s ohromnou intenzitou odrazilo. To mohlo znamenat jediné – atom určitě není pevnou koulí. Skládá se z velmi hmotného jádra a téměř prázdného elektronového obalu. Proto většinou částice atomem proletí prázdným prostorem, ale když se čirou náhodou stane, že narazí do jádra, odrazí se od něj.

Atom se skládá z velmi hmotného jádra a téměř prázdného elektronového obalu
Atom se skládá z velmi hmotného jádra a téměř prázdného elektronového obalu

Rozměry atomového světa

Rozměry světa atomů jsou velmi malé, naprosto se vymykají jakékoli představě. Příklad: rozměry typického atomu jsou přibližně 10-10 m. Kdyby měl atom průměr 1 mm, pak by jeden milimetr měl délku deset tisíc kilometrů, což je čtvrtina obvodu planety Země.

Rozměr atomového jádra je ještě menší – přibližně stotisíckrát. Jeho rozměr je asi 10-15 m. Kdybychom zůstali u našeho příměru a jádro zvětšili na jeden milimetr, pak by náš běžný milimetr měl délku miliardu kilometrů, dosahoval by tedy daleko za dráhu planety Jupiter.

Důležitý je však také poměr mezi velikostí jádra a celého atomu. Již víme, že jádro je asi stotisíckrát menší než celý atom. Abychom opět získali názornější představu, představte si obrovský sportovní stadion, který má v průměru asi pět set metrů (i největší stadion světa na pražském Strahově se těmto rozměrům jen blíží). Kdyby tento stadion představoval atom, pak by jeho jádro představoval malý míček o průměru pěti centimetrů milimetrů vznášející se ve středu stadionu. Ve zbytku stadionu bychom nalezli ještě několik elektronů. To je vše.

Tip: Podívejte se na atraktivní prezentaci, která názorně porovnává rozměry různých „věcí“ ve vesmíru.

Atom je tak v podstatě prázdný prostor znečištěný několika protony, elektrony a neutrony. Co by se stalo, kdybychom částice hmoty stlačili tak, abychom mezi nimi neměli tolik prázdného prostoru? Jistě, tohle není vůbec jednoduché, hmota se stlačení brání různými silami.

Přesto však nalezneme místo ve vesmíru, kde taková hmota existuje. Objekt tvořený takovou hmotou se nazývá neutronová hvězda. Jakoby celé Slunce bylo stlačeno do koule o rozměru asi deseti kilometrů. Pouhý centimetr krychlový takové hmoty by vážil asi jednu miliardu tun. To je naprosto nepředstavitelné množství.

I my jsme jen prázdnota

Každý atom tvoří především prázdný prostor. Každý, včetně atomů, ze kterých je postaveno naše tělo. Celá jeho skutečná hmota by se dala stlačit do kuličky o průměru asi jednoho mikrometru. Zbytek našeho těla je absolutní prázdnota.

Stejná prázdnota je ale i zmíněná lavička, na které sedíme, stejná prázdnota je kniha, stejná prázdnota je počítač. Podstatou celého vesmíru je téměř absolutní prázdnota. Uvědomme si, jak řídce je ve vesmíru rozložena hmota, jak daleko je například k nejbližším planetám či dokonce nejbližším hvězdám a že mezi těmito vesmírnými tělesy je téměř dokonalé vakuum. Pak je tvrzení o vesmíru jako o prázdném prostoru jen lehce kontaminovaném iluzorními částicemi hmoty ještě více do očí bijící.

Paradox?

Jestliže jsou atomy v podstatě prázdným prostorem, jak je možné, že jednotlivé hmotné objekty vzájemně neprostupují? Jak je možné, že neprocházíme zdí a nepropadneme lavičkou, když nás gravitace přitahuje k zemi? Jak je možné, že pozorujeme jasné hranice jednotlivých objektů? Síly mezi atomy jsou totiž mnohem silnější, než bychom čekali.

Ale třeba gravitace je přece také ohromně silná. Vždyť překonat tu zemskou se nám podařilo teprve nedávno a dosud to není triviální úkol. I na nízkou oběžnou dráhu jsme schopni s vynaložením veškeré síly vynést pouze poměrně malé objekty.

Vezměte tedy malý magnet a přibližte k němu malý hřebíček. Když nyní otočíte magnet tak, aby přichycený hřebík směřoval směrem dolů, uvidíte v přímém souboji drtivou porážku gravitace. Ani gravitace celé Země nedokáže porazit elektromagnetickou sílu vyvolanou malým magnetem.

Ve skutečnosti je elektromagnetická síla asi 1036× větší než gravitace. Důvodů, proč to nepociťujeme, je více. Jednak elektromagnetická síla může být přitažlivá i odpudivá, takže se velká část této síly v přírodě vyruší. Oproti tomu gravitace je pouze přitažlivá. A také působí na všechny objekty, zatímco elektromagnetismus ne. Posledním důvodem je fakt, že Země je obrovská, proto její gravitaci denně pociťujeme.

Právě elektromagnetismus je odpovědí na otázku, proč hmota vzájemně neprostupuje. Jednotlivé atomy mají kolem sebe určité elektromagnetické pole. Jestliže se snažíme dva objekty přiblížit k sobě, pak se tato pole začnou vzájemně odpuzovat. K tomu, aby mohly atomy vzájemně prostupovat, tak vůbec nemůže dojít. Atomy se k sobě již blíže nedostanou.

To, že při srážce dvou makroskopických objektů dojde k jejich vzájemnému odmrštění, není vůbec způsobeno reálnou srážkou atomů. Ty se k sobě přes elektromagnetické pole vůbec nedostanou. Pokud pak například sedíme na lavičce, pak zde opět probíhá souboj gravitace a elektromagnetické síly. Druhá ze sil nás odpuzuje od lavičky, zatímco gravitace má za cíl propasírovat nás skrze lavičku k zemskému povrchu a vlastně až k samotnému středu země. Na lavičce v podstatě vůbec nesedíme – takhle blízko nás elektromagnetické odpuzování částic nepustí. Vznášíme se nad horní vrstvou atomů lavičky.

Sedíme nebo levitujeme?
Sedíme, nebo levitujeme?

Malý dovětek…

Vesmír je místo, které se potácí od extrému k extrému. Od absolutního prázdna po neskutečně hustá nakupení hmoty, od absolutního mrazu po neuvěřitelná vedra. Jsou tedy situace, kdy je gravitace dostatečně silná, aby elektromagnetické síly mezi částicemi přemohla. Jedná se o velmi hmotné hvězdy na konci jejich života. Takové hmotné hvězdy gravitace doslova vtáhne samy do sebe – stane se z nich zmíněná neutronová hvězda. Gravitaci zastaví až degenerovaný tlak částic, které ctí tzv. Pauliho princip. Dle něj nemohou být dvě částice ve stejném stavu. Pokud je hvězda ještě hmotnější, pak ani degenerovaný tlak gravitaci nezastaví. Pak už gravitaci nezastaví vůbec nic. Z hvězdy vznikne černá díra.

Nejčtenější