21.4.2024 | Svátek má Alexandra


VĚDA: Jak funguje kvantový svět a proč nás to tak mate

22.2.2024

Drahý Time,

jak se zdá, náš svět na opravdu, opravdu malých rozměrech má úplně jinou podstatu než to, co známe z vlastní zkušenosti a z vlastního okolí. Je to natolik jiné, že to opravdu zamotá hlavu. Ale pojďme se na to podívat trochu ze široka. Kvantový svět má zdánlivě dvě různé podstaty, jako částice a jako vlnění. Jenomže čím blíže se na to díváme, tím rozplizlejší to je.

Pokusy se štěrbinami

Kvůli dostupným technologiím bylo zpočátku možné zkoumat kvantový svět především myšlenkovými pokusy. Teprve v současnosti můžeme spoustu postulátů kvantových teorií testovat v laboratoři. Ale dnešní pokus nebudeš nic složitého potřebovat. Stačí velká deska 2x2 m, do které vyřízneš dva obdélníkové otvory 100 cm na výšku a 30 cm na šířku, aby byly tak metr od sebe. Potom si vezmi plný kýbl oblázků co máme v okapovém chodníčku kolem domu a se zavřenýma očima házej z metru jeden po druhým na tu desku. Co neprohodíš, posbírej a házej znovu. Nejde o to, kolikrát se trefíš, ale co bude na druhé straně. Pokud sázíš na dvě větší hrádky za otvory a trochu nepořádku kolem, je to správně. Podobný pokus provádějí fyzikové s jednotlivými fotony, ale tam je výsledek jiný.

Newton vs. Young - kdo má pravdu o podstatě světla?

V kvantovém světě bude všechno samozřejmě úplně jinak, jak se o tom přesvědčil na vlastní oči pan Young, který byl shodou okolností velice renomovaný oční lékař své doby. Za páně Youngových časů byla obecně přijímána Newtonova teorie o světle jakožto proudu drobných částeček, korpuskulí, nesouhlasit s tím znamenalo vystavit se hrozbě vědecké inkvizice a u Britů to bylo ještě něco horšího - nebýt patriotem.

Nicméně Newtonova teorie nedokázala vysvětlit, kromě jiného, vzorec, který pan Young uviděl, když si posvítil na mřížku. Jak už jsem psal, je to ekvivalent našeho pokusu s házením kamenů, jenom místo kamenů použil oblíbený prostředek kvantového fyzika, foton.

Pustil tedy proud fotonů na destičku se dvěma štěrbinami a sledoval, jak se budou částice na druhé straně hromadit. Vzhledem k tomu, že foton je neposeda, byl později pokus vylepšen použitím fotografického filmu (ekvivalentem u házení kamenů by byl nezatuhlý beton). Pokus a výsledný vzorec na filmu vypadá následovně:

kva

A rázem je tu první průšvih - maximum je přesně v polovině mezi štěrbinami, tam, kde byste předpokládali největší prázdno. Místo toho, aby se foton držel pravidel stanovených panem Newtonem, zachová se naprosto nevlastenecky a bude se vlnit jako žížala při průzkumu elektrické zásuvky. Potom pro něj jakožto pro vlnění budou platit jiné zákony a v souladu s nimi je za deskou někde vlna silnější, jinde slabší, odborně se tomu říká interference.

Dnes ale dokážeme realizovat tento experiment tak, že na stínítko pouštíme přímo jednotlivé fotony a pozorujeme zajímavou věc, že foton vlastně není částice, ale vlnění. Tedy než dopadne na stínítko, potom se zase chová jako částice. Prostě ukázkový příklad vážné krize identity. Případ zralý pro kvantového psychologa, jenomže u něj je částicová fronta až za roh. Mezi všemi těmi bosony, leptony a kvarky je stojí na konci obr - ano, je to sám atom. I on si vyslechne zdrcující diagnózu - chronický částicově vlnový dualismus.

Jsme částicová, vlnová nebo vlnově částicová stvoření?
Taky jste se rozklepali jako jihočeská matka nad plány Temelína při představě, že se každý z nás skládá právě z takových atomů? Naštěstí alespoň mají objekty kvantového světa tolik slušnosti, aby se chovaly tak, jak se to od nich právě žádá, chceme-li částici, jsou částicí, chceme-li vlnu, jsou vlnou. Pokud potřebujeme něco mezi, zvládnou i tohle.

Tato úžasná schopnost být chvíli částicí a chvíli vlněním je zároveň i vysvětlením řady záhad, trápících především majitele nefalšovaných koček. Jedná se o širokou škálu nevysvětlitelných zmizení, především různých druhů masa, z dokonale uzavřené a střežené lednice. Fenomén bývá doprovázen stejně nevysvětlitelným pozorováním spokojené, k prasknutí přecpané kočky pochrupující s výrazem andělské nevinnosti někde na hodně viditelném místě.

Je více než zřejmé, že právě díky svému úzkému spříznění s kvantovou fyzikou dokáže kočka přecházet mezi částicovou a vlnovou podstatou hmoty. Samozřejmě, fyzik řekne:

„Nikoliv tohle je nesmysl, dualismus pro kočky nebo i Vás či mne neplatí.“

Jak se ale zdá, kočkám to nikdo neřekl a řada jevů, spjatých s kočkami nelze jinak, než dualitou vysvětlit. V tomto případě provedená terénní pozorování ještě musí fyzikové dohnat vymyšlením správné hypotézy.

Ostatně samotní fyzikové strávili velmi dlouhý čas různými experimenty, kdy se snažili přijít na to, jestli je foton částice nebo vlnění, jak mezi tím přepíná, konstruovali různé a podivné aparáty než se smířili s tím, že foton a další podobné potvůrky mají duální podstatu. A na jakou jejich část se ptáš, takovou Ti ukáží. Otázka je, kde tohle končí, kde je hranice mezi kvantovým a normálním světem. To ale vůbec jednoduchá otázka, celé generace se věnujeme jejímu zkoumání a nejspíše od nás vaše generace převezmete štafetu.