18.6.2024 | Svátek má Milan


VĚDA: Jak vypadá náš svět na kvantové úrovni

23.5.2024

Jak vypadá náš svět na kvantové úrovni a proč je kvantový svět úplně jiný než ten běžný

Perex: Tim se ptá: Proč a jak funguje vesmír. Psáno pro mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní, dnes na téma: Proč je kvantový svět úplně jiný než ten běžný.

Drahý Time,

jak víš, už dokončuji knihu pro Tebe a tato část je poslední, kterou bych do ní rád přidal. To pro to, že když jsme v předchozích dílech probrali duální vlnovo-částicovou povahu a také nelokálnost kvantových jevů, je potřeba k tomu dodat i matematický aparát, kterým to popisujeme.

Schrödingerova funkce

Oproti našemu běžnému světu je vesmír na kvantové úrovni úplně jiný. U nás se můžeš spolehnout, že když něco položíš na nějaké místo, tak to tam také druhý den najdeš. Pravda uznávám, neplatí to o nářadí v dílně, které se mi neustále záhadně přemisťuje na místa, kde ho nemůžu najít. Anebo o Tvém špinavém prádle, které necháváš ležet na podlaze v pokoji a které se z ničeho nic objeví vyprané a složené v koši na prádlo. Ale chápeš ten princip, že ano?

To na nejnižší úrovni světa je to jinak. V makro světě obecně dobře platí Newtonovy zákony, takže na základě současného stavu dokážeš matematicky odvodit, jak se tento stav bude vyvíjet do budoucna. Ale na kvantové úrovni je to jinak. V kvantové mechanice je stav částice popsán vlnovou funkcí, ne polohou a hybností, a tato vlnová funkce se v čase vyvíjí podle Schrödingerovy rovnice. Zkusme si následující myšlenkový experiment:

Budeš mít vesmír, ve kterém nebude nic jiného, než jeden jediný elektron. Jenže ten je zároveň částice i vlna, takže si nemůžeš představit, že bude pořád na jenom místě. Vlnění se bude šířit a tak bude elektron obklopovat stále větší oblast, ve které je jeho vlnová funkce nenulová. Tedy budeme mít stále větší oblast, kde se v daném místě může s jistou pravděpodobností ten elektron vyskytovat. Této oblasti se také říká vlnový balík. A dokud se nějakým způsobem nepokusíš zjistit, kde přesně ten elektron je, oblast bude větší a větší. Je to kvantové rozpliznutí a nezapomeň, podle Heisenbergova principu neurčitosti nikdy nedokážeš zároveň změřit zároveň polohu a rychlost částice. Na rozdíl od kladívka, které bude ležet na pracovním stole je elektron podřízen statistice.

Úplný základ této funkce pochází od Alberta Einsteina a jeho vysvětlení fotoelektrického jevu. Ten spojil energii částice s její vlnovou délkou. Na to navázal v roce 1924 Louis de Broglie s hypotézou, že tento vztah platí pro všechny částice, nejenom pro foton. A Erwin Schrödinger na to navázal svoji slavnou vlnovou rovnicí. A nejde jenom o jednu částici. Stejnou vlnovou funkci může sdílet celá řada částic najednou a je to třeba základ současných kvantových počítačů. Právě kvantové počítače využívají qubity jako základní výpočetní prvek. Na rozdíl od obyčejných počítačů, kde bit může být jedna nebo nula, tady fungují všechny qubity dohromady jako superpozice všech možných výsledků. To je základní vlastnost vlnové funkce, že obsahuje všechny možné stavy. A teď se pojďme podívat na okamžik, kdy kvantová vlnová funkce zkolabuje a stane se z ní jeden konkrétní výsledek. Kdy se z kvantové rozplizlosti jednotlivých atomů stane hmatatelné kladivo na pracovním stole.

Koherence a dekoherence

Na počátku v tzv. Kodaňské interpretaci kvantové mechaniky se všechno točilo kolem pozorování. Dokonce byl vyžadován inteligentní pozorovatel, aby bylo provedeno měření. Později, v roce 1952 zavedl David Bohm pojem dekoherence, aby se zbavil paradoxů vyplývajících z Kodaňské interpretace.

Pojďme se podívat na to, co je to koherence. Tu si můžeš představit jako veslaře na lodi. Když veslují všichni naráz jako jeden muž, tak jsou koherentní, ale kdyby si začal každý mávat veslem podle sebe, nedopadne to dobře, budou nekoherentní. Když si jede jedna loď po širé vodě, je snadné držet rytmus, ale když se kolem sebe v malém prostoru motá celá řada lodí, srážejí se, mlátí se do vesel, je celá koherence pryč. Tak nějak se chovají i vlnové funkce částic při intenzivní vzájemné interakci. Je za tím komplikovaná matematika, ale za mne je to přijatelné řešení, proč je elektron vlna a částice zároveň, zatímco kladivem zatlučeš hřebík.