Povolují fyzikální zákony silové pole?

Full foto

„Zvedněte štíty!“ Tak zní první rozkaz, kterým kapitán Kirk v nesčetných epizodách seriálu Star Trek vyzývá mužstvo k aktivaci silového pole, které loď Enterprise ochrání před nepřátelskou palbou. Silové pole hraje ve Star Treku důležitou roli.

Na základě jeho odolnosti je možné odhadnout délku celé bitvy. Jakmile totiž dojde k oslabení silových poli, dostává trup Enterprise více a více ničivých zásahů, až je nakonec kapitulace nezbytností.

Co je vlastně silové pole? Ve sci-fi je odpověď na tuto otázku na rozdíl od skutečnosti jednoduchá: je to tenká, neviditelná, avšak neproniknutelná bariéra schopná odklonit lasery i rakety. Na první pohled vypadá silové pole tak jednoduše, že bychom výrobu bitevních štítů na jeho principu mohli považovat za otázku nejbližší budoucnosti a očekávat, že nějaký podnikavý vynálezce co nevidět oznámí jeho objev. Skutečnost je ovšem mnohem složitější. Stejně jako Edisonova žárovka změnila tvář moderní civilizace, mohlo by silové pole hluboce ovlivnit každou oblast našeho života. Vojáci by se vytvořením neproniknutelného štítu proti nepřátelským střelám a kulkám stali nezranitelnými. Ke stavbě mostů, dálnic a silnic by teoreticky stačilo stisknout jediný knoflík. V pouštích by mohla v mžiku vyrůst celá města s mrakodrapy postavenými ze silových polí a silová pole vybudovaná nad městy by jejich obyvatelům umožnila dle libosti mírnit projevy počasí, jako jsou větrné smršti, sněhové bouře či tornáda. Pod bezpečným příkrovem silového pole bychom mohli stavět podmořská města. Silová pole by také zcela nahradila sklo, ocel a zdivo.

Vytvořit silové pole v laboratoři je však kupodivu snad jedním z nejtěžších úkolů. Někteří fyzikové se domnívají, že bez změny jeho očekávaných vlastností je něco takového vlastně nemožné.

Koncept silového pole vychází z prací velkého britského vědce 19. století Michaela Faradaye. Faraday se narodil v dělnické rodině (otec byl kovářem) a začátkem 19. století se nuzně živil jako knihařský tovaryš. Již v mládí ho fascinovaly obrovské pokroky ve zkoumání záhadných vlastností dvou nových sil: elektřiny a magnetismu. Hltal vše, co si o těchto věcech mohl přečíst, a chodil

na přednášky profesora Humphreye Davyho z londýnského Královského ústavu.

Gungan_ShieldPoté, co si profesor Davy jednoho dne při chemické nehodě vážně poškodil zrak, najal Faradaye jako svého tajemníka. Faraday si postupně získal důvěru vědců z Královského ústavu, kteří, ač se mu často vysmívali, mu umožnili provádět významné pokusy. Postupem času vzrůstala žárlivost profesora Davyho na skvělé výsledky mladého asistenta, vycházející hvězdy mezi experimentátory, který svou slávou Davyho nakonec zcela zastínil. Po Davyho smrti v roce 1829 získal Faraday volnost a uskutečnil řadu důležitých objevů, vedoucích k vytvoření generátorů, které začaly zásobovat proudem celá města a změnily běh světové civilizace.

Klíčem k Faradayovým největším objevům byla jeho „silová pole“. Rozsypeme-li kolem magnetu železné piliny, vidíme, že kolem něj vytvoří obrazec podobný pavučině. Jsou to Faradayovy silokřivky, které názorně ukazují, jak elektrická a magnetická síla prostupují prostorem. Když graficky znázorníme ku příkladu zemské magnetické pole, vidíme, že křivky vycházejí ze severní polární oblasti a vracejí se k Zemi v jižní polární oblasti. Kdybychom obdobně zakreslili elektrické silokřivky hromosvodu při bouřce, zjistili bychom, že se sbíhají na špičce hromosvodu. Pro Faradaye není prázdný prostor vůbec prázdný, nýbrž prostoupený silokřivkami, které jsou schopny pohybovat vzdálenými předměty. (Faraday, jehož dětství bylo poznamenáno chudobou, byl matematicky negramotný. Důsledkem toho nezaplňují jeho poznám kové sešity rovnice, nýbrž ruční kresby diagramů těchto silokřivek.

Je ironií, že nedostatek matematického vzdělání jej přinutil vytvářet ona překrásná schémata silokřivek, která nyní vidíme ve všech učebnicích fyziky. Pro vědu je fyzikální model často důležitější než jeho matematický popis.) Historikové zvažovali, co Faradaye přivedlo k jeho objevu silových polí, jedné z nejdůležitějších koncepcí celé vědy. Ve skutečnosti je veškerý souhrn objevů moderní fyziky zapsán v jazyce Faradayových polí. Klíčový objev v oblasti silových polí, který navždy změnil celou civilizaci, učinil Faraday roku 1831. Když jednoho dne pohyboval dětským magnetem nad drátěnou smyčkou, všiml si, že se mu daří vyvolat v drátu elektrický proud, aniž by se ho vůbec dotkl. To znamenalo, že neviditelné pole magnetu je schopno přes prázdný prostor pohybovat elektrony v drátu a tak vyvolat proud.

Faradayova „silová pole“, která zpočátku vypadala jako neužitečné čmáranice, reprezentují reálné hmotné síly, schopné pohybovat předměty a vyrábět energii. Umělé světlo, s jehož pomocí dnes čtete tuto stránku, vzniká nepochybně na principu Faradayových objevů o elektromagnetismu. Rotující magnet vytváří změnu silového pole, která pohybuje elektrony v drátu a vyvolá jejich pohyb v elektrickém proudu. Této elektřiny v drátu pak lze použít k rozsvícení žárovky. Stejného principu se používá při výrobě elektřiny k zásobování všech měst světa. Voda shromážděná v přehradě roztáčí obrovský magnet v turbíně, který pohybuje elektrony v drátu a vytváří elektrický proud, který pak vedení vysokého napětí dopravuje do našich domovů. Jinými slovy, silová pole Michaela Faradaye jsou silami, které pohánějí moderní civilizaci, od elektrických buldozerů k dnešním počítačům, internetu a iPodům.

Faradayova silová pole inspirují fyziky již půl druhého století. Einstein jimi byl ovlivněn natolik, že v pojmech silových polí popsal svou teorii gravitace. Faradayova práce nadchla i mne. Právě v jazyce Faradayových silových polí jsem před lety úspěšně zapsal strunovou teorii a položil tak základy teorie strunových polí. Když se ve fyzice o někom řekne, že „myslí jako silokřivka“, je to míněno jako velká poklona.

Jedním z vrcholných úspěchů fyziky posledních dvou tisíciletí je izolace a identifikace čtyř sil, které vládnou vesmíru. Všechny se dají popsat v jazyce polí zavedeném Faradayem. Žádná z nich však naneštěstí nemá zcela vlastnosti silových polí popisovaných ve většině vědeckofantastických děl. Jsou to tyto síly…

Atl-shield-stormSilová pole používaná ve sci-fi nejsou v souladu se známými fyzikálními zákony, přesto jsou tu však kličky, které by vytvoření takových silových polí mohly umožnit. Předně může existovat pátá síla, kterou zatím v laboratořích nevidíme. Taková síla by například mohla místo astronomických vzdáleností působit jen na několik centimetrů nebo decimetrů. (Prvotní pokusy změřit přítomnost takové páté síly ovšem prozatím nepřinesly žádný úspěch.)

K napodobení některých vlastností silového pole bychom možná mohli použít také plazmatu. Plazma je „čtvrté skupenství hmoty“. Na Zemi se nejčastěji setkáváme s pevnými látkami, kapalinami a plyny, nejobvyklejší formou hmoty ve vesmíru je však plazma, plyn ionizovaných atomů. V atomech plazmatu jsou elektrony odtrženy od jader. Díky tomu získávají elektrický náboj a snadno se s nimi manipuluje pomocí elektrických a magnetických polí.

Plazma je nejhojnější formou viditelné hmoty ve vesmíru, skládá se z něj Slunce, hvězdy i mezihvězdný plyn. Pro nás není plazma obvyklé, protože na Zemi se s ním setkáváme jen zřídka, ale vidíme jej ve formě blesku, Slunce a uvnitř našeho plazmového televizoru.

Plazmová okénka

Zahřejeme-li plyn na dostatečně vysokou teplotu, vytvoří se plazma, se kterým můžeme manipulovat a formovat je pomocí magnetického a elektrického pole. Můžeme z něj například vytvořit desku nebo okno. Takového „plazmového okénka“ lze mimo jiné použít k oddělení vakua od běžného vzduchu. Díky němu by v zásadě bylo možno bránit vzduchu zevnitř vesmírné lodi, aby unikal do vnějšího prostoru, a tím vytvořit příhodné průhledné rozhraní mezi vzduchoprázdným prostorem a vesmírnou lodí.

V televizním seriálu Star Trek se takového silového pole užívá k oddělení přístaviště pro malé převozní čluny od vzduchoprázdna mezihvězdného prostoru. Nejen že to je chytrý způsob, jak ušetřit náklady na rekvizity, jedná se navíc o zařízení, které je technicky možné.

Plazmové okénko vynalezl roku 1995 v Brookhavenské národní laboratoři na Long Islandu v New Yorku fyzik Ady Herschcovitch. Vyvinul je, aby vyřešil problém sváření kovů pomocí elektronového paprsku. Svářečova acetylénová pistole používá proudu horkého vzduchu, který nataví a následně svaří kovové části. Paprskem elektronů však lze svářet kovy rychleji, čistěji

a laciněji než obvyklými metodami. Problémem však je, že svařování elektronovým paprskem musí probíhat ve vakuu. To je velice obtížně splnitelný požadavek, neboť bychom potřebovali vytvořit vakuovou komoru velkou případně jako celá místnost.

Pro řešení tohoto problému vynalezl Dr. Herschcovitch plazmové okénko. To má rozměry asi 90 x 28 cm a zahřívá plyn na teplotu 7500 °C, čímž vytváří plazma uvězněné elektrickými a magnetickými poli. Částice plazmatu vytvářejí tlak, který brání vzduchu, aby proudil do vakuové komory, a tím jej oddělují od vzduchoprázdna. (Použije-li se v plazmovém okénku plynu argonu, září modře, stejně jako silové pole ve Star Treku.)

Plazmové okénko nalézá široké uplatnění v meziplanetárních letech i v průmyslu. Ve výrobě je často zapotřebí vakua při jemných procesech nebo při leptání pro průmyslové účely, avšak práce ve vzduchoprázdnu může být drahá. Pomocí plazmového okénka se však vakuum snadno a lacino udrží pouhým stisknutím knoflíku.

Je ovšem možné využít plazmového okénka jako neproniknutelného štítu? Odolá střele z děla? Je možné, že plazmová okénka budoucnosti budou mít mnohem vyšší energii a teplotu, které postačí k tomu, aby se dopadající střela zničila či vypařila. K vytvoření realističtějšího silového pole, takového, s jakým se setkáváme ve sci-fi, by však bylo patrně zapotřebí kombinace několika technik umístěných ve vrstvách. Jednotlivá vrstva by sama o sobě nemusela být schopna zastavit dělovou kouli, ale jejich kombinace by mohla postačit.

Vnější vrstvu by mohlo tvořit plazmové okénko, zahřáté na teploty, při níž se vypařují kovy. Druhou vrstvou by mohla být clona z vysoko energetických laserových paprsků. Taková clona z tisíce křižujících se laserových paprsků by vytvořila mřížku, která by zahřála každý procházející předmět tak, že by se zcela vypařil. Lasery se budeme podrobně zabývat v další kapitole.

Za touto laserovou clonou si lze představit mřížku vytvořenou z „uhlíkových nanotrubiček“, nepatrných trubiček skládajících se z jednotlivých atomů uhlíku, jejichž tloušťka činí jeden atom a které jsou mnohokrát pevnější než ocel. I když současný světový rekord pro délku uhlíkové nanotrubičky je jen okolo 15 mm, není vyloučeno, že jednoho dne je budeme schopni vytvářet v libovolné délce. Za předpokladu, že lze z uhlíkových nanotrubiček utkat mřížku, bychom z nich mohli vytvořit štít nesmírné síly, schopný odklonit většinu předmětů. Tento štít by byl neviditelný, protože každá uhlíková nanotrubička má atomové rozměry, celá mřížka by však byla silnější než jakýkoli obvyklý materiál.

Lze si tedy představit, že by součinností plazmového okénka, laserové clony a mřížky z uhlíkových nanotrubiček vznikla neviditelná stěna, kterou by téměř nebylo možno proniknout.

Avšak ani takový vícevrstvý štít by zcela nesplňoval všechny vlastnosti silového pole známého ze sci-fi: protože by byl průhledný, nedokázal by zastavit laserový paprsek. V bitvě s laserovými děly by byl zcela neužitečný K zastavení laserového paprsku by štít musel mít také zdokonalenou vlastnost „fotochromatiky“. Tohoto jevu se používá ve slunečních brýlích, které samy ztmavnou, jsou-li vystaveny ultrafialovému záření. Fotochromatika je založena na molekulách, které mohou nabývat nejméně dvou různých stavů. V jednom ze stavů je molekula průhledná. Je-li však vystavena ultrafialovému záření, okamžitě nabude své druhé, neprůhledné formy.

Jednoho dne bychom mohli být schopni použít nanotechnologií k vytvoření látky pevné jako uhlíkové nanotrubičky a zároveň schopné změnit své optické vlastnosti při vystavení laserovému světlu. Takový štít by mohl chránit jak před laserovým útokem, tak před paprskem částic nebo palbou z děla. V současnosti však fotochromatická molekula schopná zastavit laserový paprsek neexistuje.

Magnetická levitace

Ve sci-fi mají silová pole i jinou funkci než odvracet útok paprskovým dělem, a sice překonávat gravitaci. Ve filmu Návrat do budoucnosti se Michael J. Fox pohybuje na „hoverboardu“, který vypadá jako skateboard, s tím rozdílem, že se vznáší nad ulicí. Sestrojit takové antigravitační zařízení je přidnešních znalostech fyzikálních zákonů nemožné (jak uvidíme v kapitole 10). Magnety vybavené „hoverboardy“ a vznášející se auta by se však v budoucnu mohly stát realitou a my bychom skutečně mohli přimět velké předměty, aby se vznášely podle našeho přání. Jestliže v budoucnu dokážeme nastolit supravodivost při pokojové teplotě, mohli bychom nadnášet předměty s použitím magnetických silových polí.

Tento text je úryvkem z knihy: Michio Kaku: Fyzika nemožného, Argo a Dokořán 2010
Zdroj: Scienceworld.cz