KVANTOVÁ MECHANIKA

Kvantová mechanika vznikla ve dvacátých letech 20. století a podle mnohých vědců je to "nejošklivější teorie, která kdy byla vymyšlena." Narozdíl od elegantní teorie relativity, která popisuje chování velkých, rychlých a hmotných objektů, se kvantová mechanika zabývá mikroskopickým světem částic, jako jsou například fotony, atomy, elektrony, molekuly, atd. V čem tkví její "ošklivost"? Kromě toho, že je pekelně obtížná pochopit, jsou její předpovědi pouze pravděpodobnostního charakteru. Podle Newtonových a Einsteinových zákonů se dalo spočítat skoro cokoliv se stoprocentní přesností, ať už šlo o místo dopadu předmětu, nebo třeba o to, kde se bude nacházet která planeta za x let. Kvantová mechanika nám pouze říká s jakou pravděpodobností nastane určitý jev. Představte si například, že během slunečného dne stojíte venku před domem a díváte se skrz okno dovnitř. Tam vidíte díky slunečnímu světlu, ale když přistoupíte blíže k oknu, spatříte v něm odraz svojí tváře. Můžeme říct, že například 95% světla prošlo sklem a zbývajích 5% se odrazilo. Pokud je světlo proudem fotonů, tak každý jednotlivý foton má přesně 95%ní šanci, že projde a 5%ní šanci, že se odrazí. Nemůžeme však s jistotou tvrdit, který konkrétní foton projde a který ne. Stejně tak nemůžeme říct, kdy přesně se rozpadne jádro uranu, můžeme však spočítat pravděpodobnost, kdy k tomu dojde. Veškeré výsledky se tedy pohybují ve světě neurčitosti - z tohoto důvodu je kvantová mechanika plná statistiky a pravděpodobnosti. Za tuto nejistotu "vděčíme" panu Heisenbergovi a jeho slavnému principu neurčitosti, který tvrdí, že je nemožné zjistit současně jak polohu, tak hybnost mikroskopické částice. Například abyste přesně zjistili místo, kam dopadne hozený míč, budete muset mít k dispozici určité informace, jako například směr a síla hodu, povětrností podmínky, hmotnost míče a podobně. Pokud znáte všechny počáteční podmínky, můžete s naprostou jistotou předpovědět, kam přesně míč dopadne. V mikrosvětě to ovšem neplatí. Představte si, že chcete předpovědět budoucí polohu elektronu. Abyste zjistili počáteční podmínky (což jsou v tomto případě momentální poloha a hybnost), budete se muset na něj muset podívat. Tím, že na něj posvítíte, ho ovšem začnete "bombardovat" fotony, které se od něj začnou odrážet, čímž tak nepatrně naruší pohyb měřené částice. Budete-li chtít znát co nejpřesněji polohu částice, použijete paprsek s co nejkratší vlnovou délkou. Jenže čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je frekvence, a jelikož do nebohého elektronu napálíte paprsek o vysoké energii, zcela tím narušíte jeho rychlost, která se tak stane neurčitou. Pokud naopak vyšlete vlny o nízké frekvenci, rychlost tím sice téměř nenarušíte, ale o to hůře zase pak změříte polohu. Platí tedy něco za něco - čím přesněji chceme znát polohu částice, tím nepřesněji známe její hybnost. A platí to i naopak, čím přesněji změříme rychlost, tím nepřesnější je poloha. Neurčitost je vlastně dána samotným měřením - jestliže nejsme schopni s naprostou jistotou zjistit počáteční podmínky, pak ani nemůžeme předpovídat, co se stane v budoucnu. Je to přírodní zákon, který nelze obejít. Nevýhodou kvantové teorie tedy je, že se naprosto liší od našeho všedního světa. Svět na subatomární úrovni je zkrátka naprosto odlišný a dalo by se říct, že i nepochopitelný - například elektrony mají zvláštní schopnost být na dvou místech současně a navíc přitom dělat různé věci - asi jako kdybyste se procházeli po plzeňském náměstí a současně přitom nakupovali v pražském obchodě. Některé částice si zkrátka dělají co chtějí, překonávají překážky a dostávají se na místa, na kterých by podle klasické fyziky být nikdy nemohly. V normálním světě by se hlavou proti zdi rozběhl jen naprostý šílenec, ve světě kvantové fyziky by se mohlo stát, že byste tou zdí klidně prošli. Možná jste tou zdí už prošli a možná jste tam vlastně ani nikdy nebyli - vítejte ve světě kvantové mechaniky! Naprostá nepředvídatelnost vede k tomu, že pochopit kvantovou mechaniku je nesmírně složité. Americký fyzik Richard Feynman dokonce prohlásil: "Myslím, že mohu s naprostou jistotou prohlásit, že kvantové mechanice nerozumí nikdo."

Schrödingerova kočka:

Paní Schrödingerová vyčítá svému manželovi: "Prosimtě, co jsi vyváděl s tou kočkou, vždyť je napůl mrtvá!"

To, že jsou zákony mikroskopického světa opravdu "divné", už asi nikoho nepřekvapí. O tom jak moc, se můžete přesvědčit v jednom z nejznámějších myšlenkových experimentů kvantové mechaniky. Vzhledem k tomu, že ho ještě nikdo nevyzkoušel v praxi, můžete být první. Kromě kočky k tomu budete potřebovat věci, které se běžně neválí na pultech obchodů. Až tedy půjdete nakoupit, napište si na lísteček tento seznam: radioaktivní materiál, lahvičku s jedem, velkou krabici, kus izolačky a nějaký mechanismus, který reaguje na radioaktivní rozpad (například Geigerův počítač). Nyní vezměte kočku a nacpěte ji do krabice. Aby jí nebylo smutno, přidejte jí tam i zbytek věcí a celou krabici neprodyšně uzavřete. Pokud se radioaktivní jádro rozpadne, mechanismus rozbije láhev s jedem a kočku tak usmrtí. Jestliže se nuklid nerozpadne, kočka bude naživu. 

Radioaktivní rozpad je kvantový jev, a tak nevíme, zdali se atom rozpadl, či nerozpadl, a proto ani nevíme, jak je na tom naše nebohá kočka. To zjistíme až tehdy, kdy se podíváme dovnitř - do té doby je všechno v krabici ve stavu superpozice. Asi se shodneme na tom, že po otevření bude kočka buďto živá, nebo mrtvá. Avšak před otevřením je její kvantový stav směsicí stavů „živá“ a „mrtvá“ - není tedy ani živá, ani mrtvá, ale je živá i mrtvá zároveň! Zdravý rozum nám ale říká, že kočka nemůže být "napůl živá" nebo "napůl mrtvá". To je asi stejně smysluplné, jako tvrdit, že sousedka je napůl těhotná, nebo že jste nechali doma napůl zapnutou žárovku. Jenže přesně to se děje! Dokud nenazdvihnete víko, vlnová funkce celého systému se skládá z kombinace dvou odlišných stavů (rozpadlé jádro => mrtvá kočka, celé jádro => živá kočka). Otázkou ale je, zdali i kočka, která je zcela evidentně makroskopický objekt, také přechází do tohoto superponovaného stavu. To by znamenalo, že neurčitost atomového světa by byla přenesena na makroskopickou úroveň. Z našeho pohledu je zavřená v krabici a my nevíme co s ní je, ačkoliv ona sama to jistě ví. Pro nás je tedy kočka ve stavu superpozice, zatímco z jejího pohledu žádná superpozice neexistuje, neboť vnímá pouze jeden konkrétní stav. Možná vás už tato teoretická úvaha začíná pěkně štvát, a tak otevřete krabici, abyste konečně zjistili stav kočky. Tím ale zničíte vlnovou funkci a zbudou jen částice, které jednoznačně určí, zdali je živá, nebo mrtvá. Pokud vlnová funkce kolabuje vždy, když pozorovatel provede měření, pak můžeme tento experiment dotáhnout k absurditě a říct, že my sami se nacházíme v superpozici, dokud o výsledku neřekneme někomu zvenčí a ten by to zase musel říct dalšímu pozorovateli atd. Zajímavé také je, že podle kvantové teorie může mít objekt více historií – v jedné je kočka naživu a ve druhé je mrtvá. Tyto historie existují paralelně vedle sebe, ale jen do té doby, než je provedeno pozorování.

Ať už si zkrátka o Schrödingerově kočce myslíte cokoliv, jedno je jisté: hranice mezi mikroskopickým a makroskopickým světem je nejasná a kvantová mechanika dává zdravému rozumu pěkně na frak.

Nástup kvantové teorie nesli těžce někteří fyzici. Byli mezi nimi i Albert Einstein, který ironií osudu vlastně položil její základy. Nebylo to však kvůli její složitosti, ale kvůli tomu, že z královského vědního oboru, fyziky, se ze dne na den stala jakási tipovací soutěž (foton s největší pravděpodobností projde sklem, ale taky ne, kdoví?). Einstein odmítal uvěřit tomu, že by byl svět řízen náhodou, a tak pronesl slavný výrok: "Bůh nehraje v kostky!" Jeden z největších zastánců kvantové teorie, dánský fyzik Niels Bohr, mu na to odpověděl: "Neříkejte Bohu, co má se svými kostkami dělat." Stephen Hawking to pak parafrázoval slovy: "Bůh nejen že hraje se světem v kostky, ale občas je hází i tam, kde nejsou vidět." Dalším problémem je vzájemná neslučitelnost s Obecnou teorií relativity. Vezměte si například vesmír jako celek. Podle Teorie velkého třesku vznikl vesmír z nepředstavitelně malého bodu, pro jeho popis tedy použijete kvantovou mechaniku. Jenže dnes je vesmír obrovská bublina plná planet, galaxií, hvězd a dalších věcí, které lze popsat jedině Obecnou relativitou. Jenže jak chcete popsat jednu a tu samou věc pomocí dvou různých teorií, které si navíc vzájemně odporují? Skoro to vypadá, že tisíce let lidského bádání přišlo vniveč. Chybí nám teorie, která by sjednotila kvantovou mechaniku a Obecnou relativitu do jednoho unifikovaného celku. Ale existuje vůbec nějaká taková teorie? Pokud jste mladý, nadějný, bystrý a nadšený fyzik, toužící po zisku Nobelovi ceny, pak už jste asi slyšeli, že nejvážnějším kandidátem na "teorii všeho" je tzv. Teorie superstrun.