Kolik elektronů je vlastně ve vesmíru: A co kdyby byl jen jeden?

A i když je tato teorie dnes považována za chybnou, otevřela dveře k jednomu z nejpodivnějších pohledů na čas, částice a samotnou povahu reality.

Číslo, které si neumíme představit

Začněme tím, co víme – nebo si alespoň myslíme, že víme. Vesmír obsahuje ohromné množství částic. Kolik přesně, to nevíme. Ale můžeme odhadovat.

Už ve 30. letech 20. století se o to pokusil britský fyzik Arthur Eddington. Spočítal přibližný počet protonů ve vesmíru a dospěl k číslu, které dnes známe jako Eddingtonovo číslo: zhruba 10⁷⁹.

^{Prof. Artur Eddington, foto Public Domain}

Pozdější odhady toto číslo ještě mírně navýšily. Dnes se obvykle mluví o řádu 10⁸⁰ částic. To je jednička následovaná osmdesáti nulami. Číslo tak obrovské, že se vymyká lidské představivosti. A právě tady se otevírá prostor pro otázku: co vlastně znamená „počet“ v kvantovém světě?

Elektrony, které jsou si až podezřele podobné

V každodenním světě je identita samozřejmá. Každý člověk je jiný. Každý předmět má své místo a historii. Jenže v kvantové fyzice se tato intuice hroutí. Všechny elektrony jsou naprosto identické. Ne „velmi podobné“. Ne „téměř stejné“. Jsou nerozlišitelné v principu.

Nemůžete označit jeden elektron a sledovat ho v čase. Nemůžete říct: tohle je ten samý elektron jako předtím. Matematický popis kvantového světa s touto individuální identitou vůbec nepočítá.

A právě tahle zvláštnost vedla k jedné z nejodvážnějších myšlenek fyziky.

Telefonát, který změnil úhel pohledu

Na jaře roku 1940 zavolal americký fyzik John Wheeler svému kolegovi Richard Feynman. Wheeler byl známý tím, že přemýšlel ve velkém – o černých dírách, časoprostoru, povaze reality. A tentokrát měl podle vlastních slov odpověď na otázku, která fyziky dlouho trápila.

„Vím, proč mají všechny elektrony stejný náboj a stejnou hmotnost,“ řekl prý. „Protože jsou to všechny ten samý elektron.“

Nebyl to vtip. Wheeler to myslel vážně.

Jak starověké civilizace určovaly začátek nového roku a proč to nebyla samozřejmost

Jeden elektron, mnoho stop v čase

Základní myšlenka byla překvapivě elegantní. Kvantová teorie připouští, že částice a antičástice jsou si velmi blízké. Elektron má negativní náboj, jeho antičástice – pozitron – náboj kladný. Matematicky lze jejich chování popsat tak, že pozitron je elektron pohybující se opačným směrem v čase.

Wheeler si položil otázku:
Co když existuje jen jeden elektron, který se v časoprostoru pohybuje složitou smyčkou – někdy vpřed v čase, někdy zpět?

To, co vnímáme jako miliardy elektronů, by pak byly jen různé úseky jedné jediné světové čáry, proplétající se vesmírem.

Proč nám to připadá tak šílené

Tato představa odporuje zdravému rozumu hned na několika úrovních. Především proto, že jsme zvyklí chápat čas jako jednosměrný. Minulost je pryč, budoucnost ještě není. Ale rovnice kvantové fyziky žádný „směr času“ nepreferují. Fungují stejně dobře oběma směry.

Wheelerova teorie tímto směrem neříká, že se čas skutečně „otáčí“. Říká, že na nejhlubší úrovni nemusí být rozlišení mezi částicemi a antičásticemi otázkou identity, ale směru pohybu v čase.

A to je myšlenka, která zneklidňuje i dnes.

Problém, který nejde obejít

Krása teorie ale nestačila. Brzy se ukázalo, že má zásadní trhliny. Největší z nich je jednoduchá: vesmír obsahuje mnohem víc hmoty než antihmoty. Elektronů je nesrovnatelně víc než pozitronů. Pokud by šlo o jediný elektron pohybující se tam a zpět v čase, měly by být počty vyrovnané.

Wheeler se pokusil tento problém obejít tvrzením, že chybějící pozitrony jsou „někde schované“. Například uvnitř protonů. Tahle myšlenka ale nikdy nepřesvědčila komunitu.

Dalším problémem je kauzalita. Pokud se částice může pohybovat zpět v čase, vznikají logické paradoxy, které nejsou snadno řešitelné.

Myšlenkový experiment, který zůstal

Jednoelektronová teorie byla postupně opuštěna. Nikdo ji dále nerozvíjel jako seriózní popis reality. Přesto nezmizela. Zůstala jako myšlenkový experiment, který pomohl fyzikům přemýšlet jinak.

Feynman později tuto představu využil při formulaci svých diagramů – grafického nástroje, který dodnes patří k základům částicové fyziky. Myšlenka, že antičástice jsou částice „běžící zpět v čase“, se stala standardní součástí teoretického jazyka.

Co nám tato teorie říká o realitě

I když dnes víme, že ve vesmíru není jen jeden elektron, otázka, kterou Wheeler otevřel, zůstává fascinující. Co znamená identita v kvantovém světě? Jsou částice skutečně „věci“, nebo spíš projevy hlubší struktury reality?

Možná není náhoda, že kvantová fyzika se tak často dotýká filozofie. Čím hlouběji jdeme, tím méně připomíná svět soubor objektů – a tím víc proces, vztah, pohyb.

Jeden, nebo nekonečně mnoho?

Na úrovni rovnic se jednotlivé elektrony skutečně nedají rozlišit. Jejich „mnohost“ může být spíš důsledkem toho, jak realitu pozorujeme, než její skutečnou vlastností. Wheelerova teorie byla extrémní odpovědí na tuto otázku. Dnes ji považujeme za nesprávnou – ale ne zbytečnou.

Ukázala totiž, že i ty nejzákladnější pojmy, jako je počet a identita, mohou být ve fyzice méně pevné, než se zdá.

Ve vesmíru pravděpodobně není jeden elektron. Je jich nesmírné množství. Přesto zůstává něco znepokojivého na představě, že na nejhlubší úrovni mohou být všechny tyto částice nerozlišitelné – jako různé stopy jediné, hlubší reality.

A možná právě v tom spočívá kouzlo fyziky: ne v definitivních odpovědích, ale v otázkách, které nás donutí přehodnotit, co vlastně znamená „existovat“.

Měří všichni lidé čas stejně? Kultury, pro které hodiny nejsou tím hlavním

Jádro (3.): Projekt Manhattan jako bod zlomu, studená válka a logika strachu, která ovládla planetu

Olympijská věda: Proč je krasobruslení jedním z nejkrásnějších ale i nejtvrdších sportů zároveň

Ti druzí v dějinách: Příběh ženy, která byla u zrodu moderní fyziky – a zůstala v poznámkách pod čarou

^{Zdroje: Caltech, Science Direct, JohnHorgan.org, The Physics of The Universe, Quanta Magazine, img generated leonardo ai}