Čarovná mágia extrémnej fyziky: Častice vznikajú za istých podmienok z Ničoho, a to bleskurýchle

Najmenšie častice sú asi 10 biliard krát menšie ako kocka cukru. Vo fyzike je častica teliesko, ktoré je malé v porovnaní s mierkou uvažovaného systému. Vnútorná štruktúra jednotlivej častice je irelevantná, iba jej správanie ako celku vo vzťahu k iným časticiam alebo vonkajším vplyvom je dôležité. V kvantovej mechanike je častica reprezentovaná vlnovou funkciou, ktorej amplitúda udáva pravdepodobnosť prítomnosti častice.

Silné elektrické polia môžu vytrhnúť častice z vákua. Ale ako dlho im to trvá? Nové výpočty poskytujú odpoveď a mohli by celkovo pomôcť lepšie pochopiť kvantové fluktuácie.

Inými slovami vyjadrené: S dostatočne silným elektrickým poľom je možné vyrobiť častice aj z ničoho.

Ak dokážeme vo vákuu vytvoriť mimoriadne silné elektrické polia, tak v ňom vznikajú častice. Nedeje sa to však hneď – trvá to istý veľmi krátky čas.

Matthias Diez a Reinhard Alkofer z univerzity v Grazi a Christian Kohlfürst z Helmholtz Center Dresden-Rossendorf teraz vypočítali, ako rýchlo sa častice vynoria z ničoho. Objasňujú tak otvorenú otázku z teoretickej fyziky.

„Virtuálne“ páry elektrónov a ich antičastice, pozitróny, neustále „víria“ v prázdnom priestore. Pojem virtuálne znamená: Normálne sa obe navzájom anihilujú bezprostredne predtým, ako sa stanú skutočnými časticami. V skutočnosti však tieto častice existujú len matematicky v najmenších časových a priestorových škálach vo forme kvantových fluktuácií.

Vhodne silné elektrické pole by však mohlo premeniť imaginárne matematické objekty na realitu. Pretože elektróny a pozitróny majú elektrický náboj, tak virtuálne páry sa správajú v elektrickom poli ako miniatúrne dipóly.

Ak je pole dostatočne silné, tak by taký pár doslova roztrhlo na „kúsky“ skôr, ako by elektrón a pozitrón mohli opäť anihilovať. Tento jav sa nazýva Schwingerov efekt podľa neskoršieho nositeľa Nobelovej ceny Juliana Schwingera, ktorému sa ho v roku 1951 podarilo teoreticky opísať.

Na to však musí byť elektrické pole mimoriadne intenzívne. Z tohto dôvodu doterajšie experimenty neuspeli v premene virtuálnych častíc na skutočné Schwinger-páry.

Výskumné skupiny po celom svete sa však pomocou vysokovýkonných laserov postupne približujú k potrebným hustotám energie. Keď sa to podarí, tak bude možná  kontrola predpovedí kvantovej elektrodynamiky, ktorá ako základná teória takéto procesy popisuje. 

Aj keď ide o dosiahnutie energií skutočne obrovských, tak produkcia párov v elektrických poliach hrá dôležitú úlohu v mnohých oblastiach fyziky, počnúc od toho, čo sa deje v pevných látkach, v extrémnych podmienkach okolo čiernych dier a iných astrofyzikálnych objektov, až po fyziku plazmy, ktorá je dôležitá pri vývoji jadrovej syntézy.