Generovaný náhodný šum. Kredit: Spamrakuen, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Není tajemstvím, že prázdný prostor ve skutečnosti nikdy není úplně prázdný. Kvantové pole ve stavu s nejnižší energií zažívá fluktuace vyplývající z Heisenbergova principu neurčitosti. Zjevují se jako duchové. Se špetkou nadsázky lze říct, že kvantové pole by mělo připomínat zrnění na televizní obrazovce. A řada nepřímých důkazů naznačuje, že tak doopravdy je.

Yansheng Zhang. Kredit: University of Cambridge.

Kvantové fluktuace vakua nejsou jen nějaké teoretické přízraky. Ve skutečnosti mají měřitelné důsledky pro fyzikální realitu. Excitované atomy, které interagují s kvantovými fluktuacemi vakua, mohou samovolně přejít do stavu s nižší energií a při tom vyzářit foton. Elektrony v atomu vodíku mohou mít v důsledku interakcí s fluktuacemi nepatrně odlišné energetické hladiny.

Kvantové fluktuace se projevují i v podobě legendárního Casimirova jevu, kdy se vodivé desky umístěné velmi blízko sebe ve vakuu pohybují k sobě. Znají je i milovníci černých děr, protože kvantové fluktuace těsně souvisejí s Hawkingovým záření, kterým se vypařují černé díry. Kosmologové si zase představují, že se nepatrné prvotní kvantové fluktuace roztáhly během kosmické inflace a staly se zárodky kosmické pavučiny a kup galaxií.

Přímé zobrazení kvantových fluktuací. Kredit: Zhang et al. (2026), arXiv.

Yansheng Zhang z University of Cambridge a jeho spolupracovníci dosáhli významného průlomu, když se jim podařilo fluktuace v kvantovém poli přímo zobrazit. Kromě čiré radosti z úspěchu jejich výzkum otevírá nové možnosti pro pokročilé laboratorní simulace relativistických polí.

Zhang a jeho tým se nepokusili zobrazit vakuum prázdného prostoru. Místo toho vytvořili kvantové pole, které mohli přímo pozorovat, které představoval dvourozměrný Boseho-Einsteinův kondenzát tvořený atomy draslíku-39. Vědci využili dva různé vnitřní stavy atomů draslíku-39 a pomocí rádiových vln je vzájemně propojili. Kvantové pole, které chtěli studovat, bylo zakódováno ve spinových stavech atomů. V takovém případě se změny spinu napříč oblakem atomů se chovaly jako změny kvantového pole.

V kvantové teorii existují situace, kdy se matematika stává nesmírně obtížnou. Nový systém Zhanova týmu nabízí, že místo řešení děsivě komplikovaných rovnic mohou vědci sestavit kontrolovatelný kvantový systém, jehož fyzika bude odpovídat danému problému, a pak sledovat, co se bude dít. Takový systém by mohl přispět například k výzkumu zhroucení falešného vakua nebo třeba vzniku a zániku topologických defektů v kvantových polích. Nezbývá než se pustit do práce.

Video: Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe – with David Tong

Video: The Biggest Problem in Physics – Vacuum Energy: From Casimir Force to Cosmic Scale

Literatura

Science Alert 27. 8. 2026.

arXiv:2608.20311.