Hluboko v srdci fyziky se skrývá šťastný odhad. Byl to neuvěřitelně dobrý odhad, který zůstává pevný tváří v tvář času a experimentům a nyní je základním principem kvantové mechaniky.
Jmenuje se Bornovo pravidlo, a přestože se používá k předpovědím, nikdo skutečně nechápe, jak funguje. Nový odvážný pokus o jeho přepsání by však mohl být průlomem, který jsme hledali, abychom ho konečně plně pochopili.
Fyzikové z University College London Lluís Masanes a Thomas Galley se spojili s Markusem Müllerem z Rakouské akademie věd, aby našli nový způsob, jak tento základní fyzikální zákon popsat.
Nejsou první, kdo hledá hlubší pravdy tohoto nejzamotanějšího kvantového principu. A buďme upřímní, nebudou ani poslední. Ale pokud je třeba najít řešení, bude to pravděpodobně vyžadovat jedinečný přístup, jako je ten jejich.
Nejprve musíme trochu ustoupit, abychom pochopili, co je na Bornově pravidle tak zvláštního.
Stalo se klišé říkat, že kvantová mechanika je divná. Co se týče koček, které jsou zároveň živé i mrtvé, a částic teleportujících informace napříč prostorem a časem, zvykli jsme si vnímat suterén fyziky jako kouzelnické představení.
Velká jména jako Schrödinger, Heisenberg a Einstein mají tendenci získávat slávu, ale je to německý fyzik a matematik Max Born, kdo si skutečně zaslouží uznání za monumentální bolest hlavy, kterou kvantová mechanika přináší.
Abychom pochopili jeho přínos, stačí se podívat na horkou kaši, ve které se fyzikové ocitli na počátku 20. let 20. století. Nedávno se ukázalo, že struktura atomu se skládá z hustého, kladně nabitého jádra obklopeného menšími záporně nabitými částicemi.
Proč se celý systém nezhroutí, to byla velká otázka, která se přetřásala, dokud francouzský fyzik Louis de Broglie nepřišel s odvážným návrhem – stejně jako světelné vlny mají částicovou povahu, mohly by ony záporné elektrony zůstat nahoře, kdyby byly také vlnové.
Dualita světla byla už tak dost těžká k překousnutí. Ale popisovat pevně vypadající hmotu, jako by byla vlnou na oceánu, bylo prostě šílené. Přesto experimenty ukázaly, že to sedí.
Poté v roce 1926 přišel Born s jednoduchým návrhem – využil poznatků svých kolegů matematiků, ukázal, jak tyto vlny odrážejí pravděpodobnost, a přišel s pravidlem, které skloubilo pozorování s mírou náhody. Toto pravidlo umožňuje fyzikům předpovídat polohu částic v experimentech pomocí pravděpodobností, které odrážejí amplitudy těchto vlnových funkcí.
Bornovo pravidlo však nebylo založeno na nějakém základním souboru axiomů nebo hlubších pravdách přírody. V přednášce, kterou Born pronesl při přebírání Nobelovy ceny za fyziku v roce 1954, vysvětlil, že „aha!“ moment vyplynul z Einsteinovy práce.
„Pokusil se dualitu částic – světelných kvant neboli fotonů – a vln pochopit tím, že interpretoval kvadrát amplitud optických vln jako hustotu pravděpodobnosti výskytu fotonů,“ řekl Born.
Byl to inspirovaný odhad, a to přesný. Neexistovaly však žádné základní axiomy, žádné základní zákony, které by Borna k jeho závěru vedly. Byl čistě prediktivní, neříkal nic o hlubších principech, které mění množství možných jevů v jedinou skutečnost.
Einsteinovi se nelíbily důsledky, slavně tvrdil, že Bůh nehraje v kostky, a měl pocit, že kvantová mechanika je neúplná teorie, která čeká na nové dílky, aby se obraz vyjasnil.
Téměř sto let poté jsou tyto dílky stejně nepolapitelné jako kdykoli předtím. A Bornovo pravidlo stále sedí v jejím srdci, tiše předpovídá, aniž by odhalilo tajemství své volby.
Je třeba přeformulovat slavný zákon tak, aby si zachoval svou předpovědní schopnost a zároveň naznačil další pravdy. Masanes, Galley a Muller tedy přepracovali formulaci pravidla na základě několika zdánlivě triviálních předpokladů.
Především poukázali na to, že kvantové stavy jsou popsány podle měr velikosti a směru.
Druhé ukázali, jak lze tyto stavy popsat podle takzvané jednotkovosti. Tento žargon označuje informaci, která spojuje počáteční a koncový bod procesu. (Použijeme-li hrubé přirovnání, možná nevíme, jak jsme se dostali z baru domů, ale metoda, která nás tam dostala, popisuje i cestu zpět)
Dále předpokládali, že ať už se rozhodneme seskupit části složitého kvantového systému jakkoli, nemělo by to mít vliv na měření konečného stavu. Rozdělení duhy na sedm barev je volba, kterou činíme s ohledem na kontext; příroda se vždy nezabývá pohodlným dělením.
Nakonec potvrdili, že měření kvantového stavu je jedinečné. Když je vše řečeno a uděláno, nesčetné množství možností končí pevnou odpovědí.
Z těchto jednoduchých východisek trojice logicky navázala zpět na Bornovo pravidlo. Jejich práci si může kdokoli přečíst na webu arxiv.org, který je před recenzním řízením, ale už teď vyvolává diskusi.
Není to řešení samo o sobě, pozor, protože nevysvětluje, proč se vlna možností zhroutí do reality, kterou pozorujeme.
Naopak ukazuje, jak mohou základní předpoklady vést ke stejnému zákonu, a poskytuje nový pohled na to, jak k problému přistupovat.
Prozatím Bůh stále hází těmi kostkami poctivě. Možná ho tak přistihneme při podvádění.