Prečo existuje svetlo? Hlboký ponor do reality

Nedávno som mala možnosť sledovať fascinujúci prednáškový cyklus Kráľovskej inštitúcie, v ktorom fyzik Gideon Koekoek rozoberal jednu z najzákladnejších otázok vo vede: Prečo vôbec existuje svetlo? Nie len čo je to svetlo, ale prečo musí existovať. Jeho odpoveď nás zavedie na cestu od vesmírneho mikrovlnného pozadia až po hlboké zákulisia kvantovej mechaniky a relativity, aby nám ukázal, že svetlo nie je len prostriedkom videnia, ale skôr nevyhnutnou súčasťou samotnej reality.

Kľúčové poznatky

Prednáška odhalila niekoľko kľúčových zistení:

• Svetlo ako sprostredkovateľ: Svetlo (elektromagnetické vlny) funguje ako akýsi "tretí človek", ktorý zmierňuje rozdiely a konflikty medzi rôznymi oblasťami fyziky, ako sú vesmírna mechanika, kvantová fyzika a teória gravitačných vĺn.
• Rýchlosť svetla ako univerzálny limit: Práve rýchlosť svetla (približne 300 000 km/s) je fundamentálnym pravidlom, ktoré vesmír dodržiava a ovplyvňuje mnoho fyzikálnych javov.
• Elektromagnetizmus ako základ: Svetlo nie je len samostatná entita, ale skôr dôsledok elektromagnetických polí. Bez nich by nebolo možné existovať ani samotný vesmír, aký ho poznáme.
• Symetria a rýchlosť svetla v napätí: Vesmír má tendenciu k symetrii, no táto tendencia prichádza do konfliktu s univerzálnym limitom rýchlosti. Riešením sú tzv. gauge bosóny – častice, ktoré prenášajú informácie a udržiavajú symetrie.

Svetlo v hlbine vesmíru: Od mikrovlnného pozadia k otázke reality

Koekoek začína pozorovaním, že aj keď sa nám vesmír môže zdať tmavý, je naplnený starobylým červeným svetlom – kozmickým mikrovlnným pozadím. Toto žiarenie, neviditeľné pre ľudské oko, ale detekovateľné pomocou satelitov, je reliktom Veľkého tresku a svedčí o tom, že vesmír nie je prázdny. Následne sa pýta zásadnej otázky: Mohla by vôbec existovať realita bez svetla? Ak by svetlo neexistovalo, ako by sme vnímali okolie? Ako by fungovali fyzikálne zákony?

Elektromagnetizmus a Maxwellove rovnice: Prepojenie elektrickej a magnetickej sily

Prednášateľ sa presúva k vysvetleniu prepojenia medzi elektrinou a magnetismom. Ukazuje, že pohybujúce sa elektrické polia vytvárajú magnety a rotujúce magnety generujú elektrinu. Tento vzájomný vzťah bol okolo 150 rokov dozadu objavený v Kráľovskej inštitúcii a vyústil do Maxwellových rovníc, ktoré popisujú elektromagnetizmus. Práve tieto rovnice predpovedali existenciu vlny s rýchlosťou 300 000 km/s – čo sa neskôr potvrdilo ako rýchlosť svetla. Maxwell tak definoval svetlo ako "transversálnu unduláciu elektromagnetizmu" - teda vlnu, ktorá kmitá kolmo na smer šírenia.

Konštruovanie vesmíru bez elektromagnetických polí: ABC pravidlo a relatívnosť

Koekoek sa púšťa do myšlienkového experimentu – ako by vyzeral vesmír bez elektromagnetických polí? Začínajúc s priestorom, časom a základnými časticami (elektrónmi a protónmi), predstavuje "ABC pravidlo": ak sa dve veci (A a B) zhodujú v tretej veci (C), musí medzi nimi existovať spoločná hodnota. Toto pravidlo ilustruje pomocou balónov naplnených héliom – tvar balónu je určený tlakom vzduchu, ktorý je spoločným faktorom medzi vnútrom a vonkajším prostredím. Podobne, v kontexte relativity, kde rôzni pozorovatelia by mali súhlasiť s fundamentálnymi zákonmi fyziky, musí existovať spoločná hodnota – rýchlosť. A táto najvyššia možná rýchlosť je práve rýchlosť svetla.

Symetria a jej napätie: Gauge bosóny ako prenos informácií

Vesmír má silnú tendenciu k symetrii, no táto snaha prichádza do konfliktu s obmedzením rýchlosti svetla. Zmena v jednom bode vesmíru vyžaduje prenos informácií na iné miesto, čo je limitované touto maximálnou rýchlosťou. Aby sa toto napätie zmiernilo, príroda využíva tzv. gauge bosóny – špeciálne častice, ktoré prenášajú informácie a udržiavajú symetrie. Príkladmi sú gluóny (pre kvarky v protóne), mézóny (pre transformácie protónu/neutrónu) a fotóny (svetlo).

Svetlo ako dôsledok symetrie a rýchlosti: Kvantová mechanika a vlny častíc

Prednášateľ sa dotýka aj kvantovej mechaniky, kde každá častica má spojenú vlnu s vlastnosťami ako hmota (rozptyl vlny) a poloha (amplitúda). Rotácia týchto vĺn demonštruje kľúčovú symetriu. A tak sa dostávame k záveru, že svetlo (fotóny) vzniká z potreby vesmíru udržať symetrie pri dodržiavaní univerzálneho limitu rýchlosti – vyžaduje to prenos informácií medzi bodmi vo vesmíre.

Zamyslenie a odporúčania

Prednáška Gideona Koekoeka je fascinujúcim pohľadom do hlbín fyziky, ktorý nám ukazuje, že svetlo nie je len nástroj na videnie, ale skôr nevyhnutný stavebný kameň reality. Je to pripomienka toho, ako prepojené sú rôzne oblasti vedy a ako sa zdá, že vesmír má svoje vlastné zákony a princípy, ktoré riadia jeho fungovanie.

Odporúčam každému, kto sa zaujíma o fyziku a základné otázky existencie, si pozrieť celú prednášku Kráľovskej inštitúcie. Je to skvelý spôsob, ako rozšíriť svoje poznatky a zamyslieť sa nad hlbokými otázkami vesmíru.

Referencie

• The Royal Institution: https://www.rigb.org/
• Einstein Telescope Consortium: (odkaz z popisu videa)
• Dutch Black Hole Consortium: (odkaz z popisu videa)

Približne 107 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.54 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.