Na Zemi je mnoho věcí, které považujeme za samozřejmé, a jednou z nich je naše atmosféra. Nejen, že nám poskytuje kyslík, který potřebujeme k přežití, ale také se rozprostírá nahoru asi 100 km, držen zemskou gravitací a poskytuje 100 000 pascalů tlaku na naše těla. Kromě toho zajišťuje výměnu tepla prostřednictvím obrovského množství srážek mezi molekulami vzduchu a molekulami našich těl.
Co se stane, když tohle všechno zmizí? Tento týden jsem od vás dostal spoustu otázek a ta, která mě zaujala, byla otázka Kerry Pinkney:
Vybuchne člověk ve vzduchoprázdnu? Domnívám se, že ve vakuu se voda vaří a pak mrzne, jiní říkají něco ve smyslu „zkusili to na psovi a přežilo to“. Ve filmu Gravitace ten frajer zvedl helmu a okamžitě ztuhl. Jak to funguje, Ethane?
Možností je mnoho a všechny jsou oprávněné.
Možná explodujete jako Richard Branson, když si Mike Tyson sundá helmu v epizodě Mike Tyson Mysteries “Šampion v těžké váze měsíce.” Logika je zde podobná Kerryho intuici: jak tlak klesá, víme, že voda ve vesmíru bude vřít (a pak zmrzne) a možná skutečnost, že tělo je ze 70 % tvořeno vodou, povede k smrti výbuchem.
Existuje další možnost z filmu „Total Recall“: možná pokles tlaku venku – spolu s normálním tlakem uvnitř – povede k tomu, že vaše vnitřnosti budou vytlačeny?
Nebo možná, jako ve výše zmíněné “Gravity” nebo “Mise na Mars”, okamžitě zmrznete, protože vakuum způsobí zmrazení vašich vnějších vrstev a chlad pronikne hluboko do vašeho těla?
Je vůbec možné, že budou fungovat i jiné fyzikální zákony, které nejsou dostatečně pokryty v zábavných pořadech? Účinky vesmírného vakua – zejména rychlý přechod z prostředí s normálním tlakem do téměř absolutního vakua – se budou velmi lišit od naší běžné zkušenosti na Zemi. Pojďme zjistit, co o tom říká věda!
První věc, kterou je třeba zvážit, je, že plíce jsou jako míč a pamatujte si jeden z nejjednodušších chemických zákonů: Boyle-Mariotteův zákon. Říká, že když jsou všechny ostatní věci stejné (teplota a hmotnost), když tlak v systému klesá, jeho objem se zvětšuje. Pokud tlak klesne na polovinu, objem se zdvojnásobí; pokud klesne desetkrát, hlasitost se desetkrát zvýší.
Takže pokud máte v plicích vzduch a snížíte vnější tlak, řekněme, biliónkrát, objem vašich plic se pokusí zvýšit biliónkrát. Toto je velmi špatné! Pokud přejdete z normálního tlaku do vakua za méně než 0,5 sekundy, vzduch nebude mít dostatek času, aby hladce opustil plíce. Bude to vypadat, jako by vám v plicích explodovala bomba – explozivní dekomprese. Riziko poranění plic je velmi vysoké a smrt bude rychlá a bolestivá. Pro pozorovatele to nebude okázalé, ale pro toho, kdo to zažije, to bude katastrofální.
Řekněme, že jste plíce dekompresovali pomalu – např. jste vydechli při odtlakování – nebo jste měli štěstí a zranění nebylo smrtelné. Na co byste si měli dávat pozor příště?
Je možné, že stejně jako meteorologický balón zvednutý příliš vysoko (a vystavený velmi nízkému tlaku venku), tělo nebude schopno odolat vakuu vesmíru. Ale zatímco můžete trpět prasknutím tkáně, pokud přejdete z vysokých tlaků – například pod vodou – na vysávání příliš rychle, pokud tlak klesne jen o jednu atmosféru, nestane se nic jiného než malé boule. Nebudete se tedy potýkat s možnostmi „Richard Branson“ nebo „Total Recall“. Lidská kůže je mnohem pevnější než meteorologický balón.
Ohledně dalších možností – i když nakonec zmrznete, bude to trvat velmi dlouho. Věci na Zemi rychle zamrznou, pokud je přivedete do kontaktu s jakýmkoliv prostředím. Ve vakuu vesmíru se těleso může zbavit tepla pouze zářením. Zároveň aktivně prohříváte své tělo zevnitř. Ve vodě 22°C pod tělem umrznete k smrti mnohem rychleji než ve vakuu vesmíru!
Takže, Kerry, jak vaši přátelé, tak filmy se mýlí. Když ti neprasknou plíce z dekomprese, na co zemřeš? To je velmi nepříjemné a po obdržení tohoto popisu pochopíte, proč se výstupy do vesmíru vždy dělají ve dvojicích.
Bez kyslíku (nebo čehokoli) v plicích – který potřebujete k přežití – lidské tělo velmi rychle začne trpět hypoxií. Bez dostatečného přísunu kyslíku do vašich tkání budete mít 10 až 14 sekund, než ztratíte vědomí. Zbude vám energie na práci svalů a provádění některých úkolů, ale to obvykle nestačí k obnovení přívodu vzduchu a přesunu do přetlakového a okysličeného prostředí.
Vaše tělo se v této době začne roztahovat, ale závažnějším příznakem bude zástava oběhu, ke které dochází asi 30 sekund po dekompresi, a periferní obrna, při které svaly ztrácejí schopnost se stahovat. Od této chvíle máte ještě 60 sekund na to, aby někdo vtáhl vaše tělo do prostředí s kyslíkem a normálním tlakem. Pokud k tomu dojde, pak všechny příznaky zůstanou reverzibilní, a pokud ne, poškození buněk a smrt bude nevyhnutelná.
Kupodivu úplně první film zabývající se tímto problémem, Kubrickův 2001: Vesmírná odysea, se nejvíce přiblížil realitě tím, že ukázal smrt Franka Poolea.
V reálném životě se vyskytl pouze jeden případ, kdy vesmírní průzkumníci takto zemřeli, a to při incidentu Sojuzu 11 v roce 1971. V důsledku toho zemřeli tři sovětští kosmonauti: Georgij Dobrovolskij, Vladislav Volkov, Viktor Patsaev.
Pokud se vaše tělo najde, bude měkké, ochablé, oteklé asi na dvojnásobek své velikosti a modré. A o pár hodin později stále zmrzlý.
Po delším působení vakua existuje možnost zotavení. U psů vždy zafungoval interval 90 sekund, otoky a dočasná slepota odezněly a schopnost chůze se vrátila do 10-15 minut. Psi vystavení vakuu po dobu 120 sekund téměř vždy zemřeli. Šimpanzi v experimentech z let 1965-1967 mohli přežít ve vakuu až 210 sekund, ačkoli jeden utrpěl nevratné poškození mozku po 3 minutách a další dostal infarkt.
V roce 1965 se technik ve vesmírném středisku Lyndona Johnsona omylem dekomprimoval. Časopis Scientific American popsal případ takto:
Technik ve vakuové komoře v Johnsonově vesmírném středisku omylem dekomprimoval svůj oblek a poškodil hadici. Po 12-15 sekundách ztratil vědomí a o 27 sekund později přišel k rozumu poté, co byl tlak obnoven na polovinu atmosféry. Uvedl, že jeho poslední vzpomínkou, než omdlel, byly sliny vařící se na jazyku a ztráta chuti, která mu zůstala ještě čtyři dny po incidentu. Jinak nebyl zraněn.
Je to velmi děsivá situace a klíčové je vydechnout všechen vzduch a strávit posledních 10 sekund při vědomí a umístit se tak, abyste mohli být zachráněni. Pokud se k vám dostanou dostatečně rychle a obnoví tlak, můžete přežít. V opačném případě si hladovění kyslíkem vybere svou daň a – způsobem podobným otravě oxidem uhelnatým – k vám rychle dorazí smrt.
Děkuji za skvělou otázku a doufám, že vysvětlení bylo vám i ostatním srozumitelné. Pošlete mi své dotazy a návrhy na budoucí články.
Jak si představujete vakuum? Bohužel se mýlíte. Vakuum není prázdnota, ale svět kvantových zázraků. Neustále se v něm objevují a mizí virtuální částice, které ovlivňují vlastnosti hmoty a světla. Je ale možné vidět tyto výkyvy vakua bez prostředníků? A mohou nám říci o nových, dříve neznámých přírodních zákonech?
Rentgenový paprsek z největšího rentgenového laseru na světě, evropského XFEL, je na fotografii dobře viditelný pouze v úplné tmě a s expozičním časem 90 sekund. V roce 2024 zde proběhnou první experimenty na detekci kvantových fluktuací ve vakuu.
Na tyto otázky se snaží odpovědět fyzikové z Helmholtzova centra Dresden-Rossendorf (HZDR) ve spolupráci s kolegy pomocí evropského XFEL, největšího světového rentgenového laseru, umístěného v Hamburku. Vypracovali řadu návrhů na provedení unikátního laserového experimentu, který by měl potvrdit nebo vyvrátit jednu ze základních teorií fyziky – kvantovou elektrodynamiku (QED).
QED popisuje interakci světla a nabitých částic, jako jsou elektrony a pozitrony. Je považována za jednu z nejpřesnějších a nejosvědčenějších teorií ve vědě, ale jsou oblasti, kde ještě nebyla experimentálně testována. Jednou z takových oblastí jsou fluktuace vakua.
Vizualizace kvantových fluktuací
Autor: Derek Leinweber. Vizualizace kvantové chromodynamiky [1], CC BY-SA 4.0 Zdroj: commons.wikimedia.org
Fluktuace vakua jsou kvantové blikání v čase a prostoru, ke kterému dochází i v nepřítomnosti jakékoli hmoty. Jsou způsobeny tím, že v kvantové mechanice nelze přesně určit energii a hybnost současně, ale podléhají Heisenbergově principu neurčitosti. To znamená, že ve vakuu se neustále objevují a mizí dvojice virtuálních částic – antičástic, jako je elektron a pozitron. Tyto virtuální částice nelze pozorovat, ale ovlivňují vlastnosti skutečných částic a světla prostřednictvím tzv. Casimirova jevu.
Autor: D. Ilyin: překlad, optimalizace. Soubor: Casimir plates. svg od Emok, CC0 Zdroj: commons.wikimedia.org
Casimirův efekt je, když se dvě rovnoběžné kovové desky umístěné ve vakuu ve velmi malé vzdálenosti od sebe navzájem přitahují v důsledku kolísání vakua. To se děje proto, že mezi deskami mohou existovat pouze virtuální fotony (světelná kvanta) s určitými vlnovými délkami, které jsou násobky vzdálenosti mezi deskami. Mimo desky mohou existovat virtuální fotony s libovolnou vlnovou délkou. To vede k tomu, že podtlak vně desek je větší než uvnitř a na desky působí přitažlivá síla.
Casimirův efekt byl experimentálně potvrzen v roce 1997 a je v souladu s předpovědí QED. K přímému pozorování fluktuací vakua bez ovlivnění hmoty je však zapotřebí jiný přístup. Přesně takový přístup navrhují vědci z HZDR a XFEL.
Ulf Zastrau vede experimentální stanici HED (High Energy Density Science) na evropském XFEL. V paprskové komoře HED se záblesky z největšího rentgenového laseru na světě musí setkat se světelnými pulzy z výkonného laseru ReLaX poháněného HZDR, aby bylo možné detekovat fluktuace vakua.
Jejich myšlenkou je, že supervýkonný laser střílí krátké intenzivní záblesky světla do prázdné komory z nerezové oceli. V této komoře se záblesky světla srážejí s rentgenovým pulzem z evropského XFEL, který má velmi vysokou energii a frekvenci. Cílem je manipulovat s fluktuacemi vakua tak, aby změnily polarizaci rentgenového pulsu, to znamená, že otočily směr jeho vibrací.
Polarizace je vlastnost světla, která charakterizuje směr, ve kterém kmitá jeho elektrické pole. Pokud mohou fluktuace vakua ovlivnit polarizaci světla, znamenalo by to, že skutečně existují a lze je měřit.
Profesor Ralf Schützhold, teoretik z HZDR, přirovnává tento proces k vložení průhledného plastového pravítka mezi dva polarizační filtry a jeho ohýbání tam a zpět. „Filtry jsou zpočátku nakonfigurovány tak, aby nepropouštěly světlo. Ohnutím pravítka změníme směr vibrací světla tak, aby se něco stalo viditelným.“ V této analogii pravítko odpovídá kolísání vakua a supervýkonný laserový záblesk je ohýbá.
Není to však tak jednoduché, jak se zdá. Signál z kolísání vakua bude pravděpodobně velmi slabý. Vědci odhadují, že pouze jeden z bilionu rentgenových fotonů změní svou polarizaci. To může být pod aktuálním limitem měření – událost může jednoduše zůstat nezjištěna. Schutzhold a jeho kolegové tedy nabízejí několik možností, jak zvýšit své šance na úspěch.
Jednou z možností je odpálit do fotoaparátu ne jeden, ale dva laserové záblesky různých vlnových délek současně. Srazí se v jednom bodě, kde prochází rentgenový puls z evropského XFEL. Srážkou laserových záblesků vzniká jakýsi světelný krystal, který působí na rentgenový puls jako přírodní krystal. Stejně jako je rentgenové záření vychylováno při průchodu přírodním krystalem, je rentgenový puls vychylován světelným krystalem. Tím se nejen změní polarizace rentgenového pulsu, ale také se mírně změní jeho energie a frekvence. To také pomáhá měřit účinek. „Je to ale technicky poměrně obtížné a bude nám trvat dlouho, než to budeme schopni implementovat,“ říká Schutzhold.
Tým také vypočítal různé úhly kolize pro laserové záblesky ve fotoaparátu. Experimenty ukážou, která možnost je nejvhodnější. Projekt je v současné době ve fázi plánování v Hamburku společně s evropským týmem XFEL na experimentální stanici HED, přičemž první testy jsou plánovány na rok 2024.
Pokud je experiment úspěšný, potvrdí QED v novém rozsahu parametrů. I když je možné, že experiment ukáže nečekané výsledky, které nesouhlasí s teorií. To může být důkazem existence nových, dříve neobjevených částic, které mohou interagovat s fluktuacemi vakua. Jednou z takových hypotetických částic je axion, ultralehká přízračná částice, která by mohla být kandidátem na částice tvořící temnou hmotu.
„Axiony mohou vznikat z fluktuací vakua a ovlivňovat polarizaci světla. Pokud takový účinek najdeme, bude to jasný náznak dalších, dříve neznámých přírodních zákonů,“ říká Schutzhold.
Stěžujte si na komentář
15 komentáře
Přidat komentář
Virtuální částice jsou nejčastěji interpretovány trochu nesprávně. Kvůli příliš doslovnému chápání vztahu nejistoty. Podobně, čím kratší časový interval, tím větší energetická nepřesnost. Tato nepřesnost je vnímána jako určité kolísání, které za určitých podmínek může stačit ke zrodu nových částic. Ale ve velkém měřítku je to všechno v průměru. Takhle to nefunguje. Dobře, začněme tím, že při doslovném výkladu vztahu neurčitosti budeme muset přijmout fakt, že v každém bodě prostoru musí existovat nekonečně velké fluktuace. A to vytváří problémy. Ve skutečnosti je vztah neurčitosti jednoduše vlastností Fourierovy transformace. Čím užší je spektrum veličiny, tím širší je její Fourierovo spektrum. A naopak. Z toho plynou dva důsledky. 1) Nelze sestrojit měřící zařízení, které by v jednom experimentu přesně měřilo čas a energii, protože obě spektra nemohou být současně funkcemi delta. 2) Je nemožné je přesně změřit ve dvou experimentech, protože první experiment převede systém do nového stavu, ve kterém se druhá veličina stane nejistou. Ale je tu jeden vtip. Všechno je to o měření. A během měření měřící zařízení ovlivňuje systém. A není pravda, že chybu nevnáší samotné měřicí zařízení. No, podmínečně. Pokud měřící zařízení přesně měří čas, pak samo má neomezenou energii. Takže po měření času již nebude jasné, zda energetická nejistota je vlastností samotného systému nebo zda je zavedena měřicím zařízením. Virtuální částice jsou o tom, že se „jen koukají“ bez provádění měření. No, podmínečně. Pokud se na systém „pouze podíváme“ na omezený časový interval, pak neuvidíme celé potenciálně nekonečné spektrum fyzikální veličiny, ale pouze jeho část, která se do tohoto časového intervalu vejde. A přirozeně, Fourierovo spektrum této fyzikální veličiny bude zkreslené ve srovnání s tím, co ve skutečnosti je. A může být tak zkreslený, že se dokonce objeví nové částice. Ale tady je problém. Stav celého systému jako celku se nezmění. Neobsahuje ale žádné virtuální částice. Ukázalo se, že? Stav systému lze rozdělit na dvě části. Ta, která se vejde do časového intervalu a ta, která je venku. Virtuální částice mohou být jak tam, tak i tam. Ale když se podíváte na celek těchto dvou částí, pak se všechny virtuální částice budou jakoby vzájemně kompenzovat a v celém systému jako celku nebudou žádné. Takže skutečně existují nebo je to jen iluze? Vědci v současné době věří, že existují, protože. jejich projevům je připisováno mnoho účinků. Ale jak je to možné? Záhada kvantové mechaniky. Je to jako se zajíčkem. Vidíš ho? Ne? A on je.
Za pár hodin vám níže odpoví, že vědci jsou vlastně nasáklí různými odpadními produkty, ale ve světě je vlastně všechno jednodušší a funguje to podle vůle vyšší mysli.
Ale to není to nejhorší, nejhorší je – někdy se nestačím divit – co když mají pravdu?
Jaký je trik? To všechno jsou matematické vtipy. V matematice je možné všechno. Proto jsou možné různé virtuální věci. Ve skutečnosti by samozřejmě mělo být vše jednodušší. No, například. Zde posloucháte hudbu. Je to druh zvukové vlny. Čistě matematicky to může být reprezentováno jako součet čehokoli. Alespoň harmonické kmity, alespoň delta funkce, alespoň čtvercové impulsy. To ale nemění podstatu. Nakonec je to jen zvuková vlna určitého tvaru. Vždy můžete říci, že 0 není 0, ale 1-1. Nebo 2-2. Nebo 3-3. A to všechno budou různé nuly. Ale objektivně to “cítí” jen 0.
Vnitřní ucho je vlastně analogový Fourierův transformační stroj, který rozkládá zvuk na frekvence.
K dispozici je také analogový zesilovač.
Měřicí invariance předpokládá, že |exp(ix)|^2=1. To znamená, že konečný výsledek z vynásobení jednou se nezmění a nyní si pohrajeme s exponentem tohoto exponentu.
A také bych rád řekl, že Fourierovo spektrum projekce prázdnoty do stavu s delta spektrem je stále prázdnota. Aby to nebylo prázdné, je potřeba, aby tam stále něco bylo. Alespoň konstantní složku, tzn. pole s nulovou energií a hybností. Tito. ve vakuu skutečně něco je. Kdyby to bylo skutečné vakuum, pak by tam nebylo vůbec nic.
Zde opět vyvstává otázka čistoty popsaného experimentu – nejsem si jistý (a nenašel jsem důkaz na internetu), že existuje fyzikální možnost vytvoření absolutního vakua
Abyste to udělali, musíte z něj odstranit všechny částice, abyste získali vlny s nulovou amplitudou. Se skutečnou nulovou amplitudou. Tak je to tady. I když to není vidět pouhým okem, je rozdíl mezi absolutní nulou a částicemi, které jsou jednoduše rozmazané po celém prostoru v tenké vrstvě. Pro takové částice je amplituda pravděpodobnosti v každém konkrétním bodě 0. Je to tedy, jako by neexistovaly. Ale je tu nuance. Pokud provedete měření přes celý prostor, pak se díky zákonům zachování objeví, protože integrál 0 nad nekonečným počtem bodů nemusí být nula. Tím v podstatě jsou. Virtuální částice. Jako by tam byly a jako by nebyly. Chcete-li získat absolutní vakuum, musíte všechny tyto virtuální částice odčerpat z oblasti vesmíru. Zatím to samozřejmě není možné.
Jak je stáhnout, pokud jsou virtuální? Čím větší je energie částic, tedy čím menší je vzdálenost, na kterou se na něco díváte, tím více virtuálních částic nasbíráte v důsledku některých interakcí. Stejná jemná strukturní konstanta v reakcích při vysokých energiích dostává další logaritmický faktor, který bere v úvahu všechny tyto virtuality. Zdá se, že je to „matematika“, ale charakteristické je to vidět na urychlovačích.
