Šest věcí, které by měl každý vědět o kvantové fyzice

Kvantová fyzika obvykle nahání strach hned od začátku. Je poněkud podivná a může se zdát neintuitivní, a to i pro fyziky, kteří se jí zabývají každý den. Ale není nepochopitelná. Pokud čtete něco o kvantové fyzice, existuje o ní skutečně šest klíčových pojmů, které byste měli mít na paměti. Udělejte to a kvantová fyzika pro vás bude mnohem srozumitelnější.

Vše se skládá z vln; také z částic

Existuje mnoho míst, kde začít diskusi tohoto druhu, a toto je stejně dobré jako každé jiné: vše ve vesmíru má zároveň povahu částic i vln. Ve fantasy duologii Grega Beara (Koncert nekonečna a Hadí mág) je jedna věta, kde postava popisující základy magie říká: „Vše je vlnění, přičemž se nic nevlní, a to na žádnou vzdálenost“. Vždycky se mi to moc líbilo jako poetický popis kvantové fyziky – v hloubi duše má všechno ve vesmíru vlnovou povahu.

Jistě, všechno ve vesmíru má také částicovou povahu. Zdá se to naprosto šílené, ale je to experimentální fakt, ke kterému se dospělo překvapivě známým postupem:

(existuje také animovaná verze, kterou jsem udělal pro TED-Ed).

Popisovat reálné objekty jako částice i vlny je samozřejmě nutně poněkud nepřesné. Správně řečeno, objekty popisované kvantovou fyzikou nejsou ani částice, ani vlny, ale třetí kategorie, která sdílí některé vlastnosti vln (charakteristickou frekvenci a vlnovou délku, určité rozprostření v prostoru) a některé vlastnosti částic (jsou obecně spočitatelné a lze je do určité míry lokalizovat). To vede v komunitě učitelů fyziky k živé diskusi o tom, zda je skutečně vhodné mluvit o světle jako o částicích v úvodních kurzech fyziky; ne proto, že by se vedly spory o tom, zda má světlo nějakou částicovou povahu, ale proto, že nazývat fotony „částicemi“, a nikoli „excitacemi kvantového pole“, by mohlo vést k některým mylným představám studentů. S tímto názorem spíše nesouhlasím, protože mnohé ze stejných obav by se daly vznést i v případě nazývání elektronů „částicemi“, ale je to spolehlivý zdroj rozhovorů na blogu.

Tato povaha kvantových objektů „dveře číslo tři“ se odráží v někdy matoucím jazyce, který fyzikové používají, když mluví o kvantových jevech. Higgsův boson byl objeven na Velkém hadronovém urychlovači jako částice, ale uslyšíte také fyziky mluvit o „Higgsově poli“ jako o delokalizované věci vyplňující celý prostor. Děje se tak proto, že za určitých okolností, například při experimentech na srážeči, je vhodnější diskutovat o excitacích Higgsova pole způsobem, který zdůrazňuje vlastnosti částice, zatímco za jiných okolností, například při obecné diskusi o tom, proč mají určité částice hmotnost, je vhodnější diskutovat o fyzice v termínech interakcí s kvantovým polem vyplňujícím vesmír. Je to prostě jiný jazyk popisující tentýž matematický objekt.

Kvantová fyzika je diskrétní

Je to přímo v názvu – slovo „kvantový“ pochází z latiny a znamená „kolik“ a odráží skutečnost, že kvantové modely vždy zahrnují něco, co přichází v diskrétním množství. Energie obsažená v kvantovém poli přichází v celočíselných násobcích nějaké základní energie. U světla to souvisí s frekvencí a vlnovou délkou světla – vysokofrekvenční světlo s krátkou vlnovou délkou má velkou charakteristickou energii, zatímco nízkofrekvenční světlo s dlouhou vlnovou délkou má malou charakteristickou energii.

V obou případech je však celková energie obsažená v konkrétním světelném poli celočíselným násobkem této energie – 1, 2, 14, 137krát – nikdy to není podivný zlomek jako jedna a půl, π nebo druhá odmocnina ze dvou. Tato vlastnost se projevuje také u diskrétních energetických hladin atomů a energetických pásů pevných látek – určité hodnoty energie jsou přípustné, jiné nikoli. Atomové hodiny fungují díky diskrétnosti kvantové fyziky a využívají frekvenci světla spojenou s přechodem mezi dvěma povolenými stavy v cesiu k udržování času na úrovni, která vyžaduje tolik diskutovanou „přestupnou sekundu“ přidanou minulý týden.

Ultrapřesná spektroskopie může být také použita k hledání věcí, jako je temná hmota, a je součástí motivace pro institut základní fyziky nízkých energií.

To není vždy zřejmé – dokonce i některé věci, které jsou v podstatě kvantové, jako je záření černého tělesa, se zdají zahrnovat spojitá rozdělení. Ale vždy existuje určitá granularita základní reality, pokud se ponoříte do matematiky, a to je velká část toho, co vede k podivnosti teorie.

Kvantová fyzika je pravděpodobnostní

Jedním z nejpřekvapivějších a (přinejmenším historicky) nejkontroverznějších aspektů kvantové fyziky je, že nelze s jistotou předpovědět výsledek jediného experimentu na kvantovém systému. Když fyzikové předpovídají výsledek nějakého experimentu, předpověď má vždy podobu pravděpodobnosti nalezení každého z konkrétních možných výsledků a porovnání teorie a experimentu vždy zahrnuje odvození rozdělení pravděpodobnosti z mnoha opakovaných experimentů.

Matematický popis kvantového systému má obvykle podobu „vlnové funkce“, která je v rovnicích obvykle reprezentována řeckým písmenem psi: Ψ. O tom, co přesně tato vlnová funkce představuje, se vedou rozsáhlé debaty, které se dělí na dva hlavní tábory: na ty, kteří považují vlnovou funkci za skutečnou fyzikální věc (žargonový termín pro ně je „ontické“ teorie, což vedlo nějakého vtipálka k tomu, že jejich zastánce nazval „psi-ontology“), a na ty, kteří považují vlnovou funkci za pouhé vyjádření našich znalostí (nebo jejich nedostatku) ohledně základního stavu určitého kvantového objektu („epistemické“ teorie).

V obou třídách fundamentálních modelů není pravděpodobnost nalezení výsledku dána přímo vlnovou funkcí, ale kvadrátem vlnové funkce (volně řečeno, každopádně; vlnová funkce je složitý matematický objekt (což znamená, že zahrnuje imaginární čísla, jako je odmocnina ze záporné jedničky), a operace k získání pravděpodobnosti je poněkud složitější, ale „kvadrát vlnové funkce“ stačí k pochopení základní myšlenky). Toto pravidlo je známé jako „Bornovo pravidlo“ podle německého fyzika Maxe Borna, který ho poprvé navrhl (v poznámce pod čarou k článku z roku 1926), a některým lidem připadá jako ošklivý ad hoc dodatek. V některých částech komunity kvantových základů existuje aktivní snaha najít způsob, jak odvodit Bornovo pravidlo z fundamentálnějšího principu; doposud žádná z nich nebyla zcela úspěšná, ale generuje to spoustu zajímavých vědeckých poznatků.

To je také aspekt teorie, který vede k takovým věcem, jako že částice jsou ve více stavech současně. Vše, co můžeme předpovědět, je pravděpodobnost a před měřením, které určí konkrétní výsledek, je měřený systém v neurčitém stavu, který matematicky mapuje superpozici všech možností s různou pravděpodobností. Zda to budete považovat za to, že se systém skutečně nachází ve všech stavech najednou, nebo jen v jednom neznámém stavu, záleží do značné míry na vašich pocitech ohledně ontických versus epistemických modelů, i když oba podléhají omezením z další položky seznamu:

Kvantová fyzika je nelokální

Poslední velký Einsteinův přínos fyzice nebyl všeobecně uznáván, především proto, že se mýlil. V článku z roku 1935, který napsal společně se svými mladšími kolegy Borisem Podolským a Nathanem Rosenem („EPR článek“), Einstein jasně matematicky vyjádřil něco, co ho už nějakou dobu trápilo, myšlenku, kterou dnes nazýváme „entanglement“.

EPR článek tvrdil, že kvantová fyzika umožňuje existenci systémů, v nichž měření provedená na velmi vzdálených místech mohou být korelována způsobem, který naznačuje, že výsledek jednoho měření je určen druhým. Tvrdili, že to znamená, že výsledky měření musí být určeny předem, nějakým společným faktorem, protože alternativa by vyžadovala přenos výsledku jednoho měření do místa druhého rychlostí větší než rychlost světla. Kvantová mechanika tedy musí být neúplná, pouhá aproximace nějaké hlubší teorie (teorie „lokální skryté proměnné“, kde výsledky konkrétního měření nezávisí na ničem, co je od místa měření vzdáleno více, než by mohl signál urazit rychlostí světla („lokální“), ale jsou určeny nějakým faktorem společným oběma systémům v entanglované dvojici („skrytá proměnná“)).

To bylo asi třicet let považováno za podivnou poznámku pod čarou, protože se zdálo, že neexistuje způsob, jak to ověřit, ale v polovině šedesátých let irský fyzik John Bell důsledky EPR článku podrobněji rozpracoval. Bell ukázal, že lze nalézt okolnosti, za nichž kvantová mechanika předpovídá korelace mezi vzdálenými měřeními, které jsou silnější než jakákoli možná teorie typu preferovaného E, P a R. To experimentálně ověřil v polovině 70. let John Clauser a série experimentů Alaina Aspecta z počátku 80. let je všeobecně považována za definitivní důkaz, že tyto provázané systémy nelze vysvětlit žádnou teorií lokálních skrytých proměnných.

Nejběžnějším přístupem k pochopení tohoto výsledku je tvrzení, že kvantová mechanika je nelokální: že výsledky měření provedených na určitém místě mohou záviset na vlastnostech vzdálených objektů způsobem, který nelze vysvětlit pomocí signálů pohybujících se rychlostí světla. To však neumožňuje posílat informace rychlostmi přesahujícími rychlost světla, ačkoli existovala celá řada pokusů najít způsob, jak k tomu využít kvantovou nelokalitu. Jejich vyvrácení se ukázalo být překvapivě produktivním počinem – více informací najdete v knize Davida Kaisera How the Hippies Saved Physics. Kvantová nelokalita je také ústředním tématem problému informace ve vypařujících se černých dírách a sporu o „firewall“, který v poslední době vyvolal mnoho aktivit. Existují dokonce některé radikální myšlenky zahrnující matematické spojení mezi entanglovanými částicemi popsanými v EPR článku a červími dírami.

Kvantová fyzika je (většinou) velmi malá