Kam se ztrácejí řízky aneb kvantové intermezzo

Poslední dva díly Kvantového kočkování jsme věnovali gravitaci, snad za to, jak se neustále ona věnuje nám. Nicméně pro dnešek toto téma opustíme, abychom se mohli věnovat dalším podivnostem kvantového světa, na které ještě nepřišla řeč. A taky se dozvíte, jak je možné, že se ztrácejí řízky ze zavřené ledničky.

Od myšlenkových pokusů k reálným experimentům

Pro ty z vás, kteří už máte dost myšlenkových experimentů kvantové fyziky, jsem v dnešním pokračování nachystal jeden reálný pokus, který zvládnete sami doma bez větších problémů.

Dokonce při něm můžete použít gravitaci a nebudete přitom muset někam zavírat kočku. Stejně nám ji paní Schroedingerová už nechce půjčovat, protože je ta kočka z našich pokusů polomrtvá.

Takže si, prosím, přichystejte desku 2x2 metry a udělejte do ní dvě díry o průměru cca 30 cm metr od sebe. Potom vezměte tak 10 kg drobných oblázků (max. velikost kamínku do 5 cm) a ze vzdálenosti dvou metrů se zavřenýma očima házejte oblázky na desku, můžete po jednom, po hrstech, kdo je zdatný fyzicky, klidně všechny naráz. Co neprojde, seberte a hoďte znovu.

Nejde ani tak o to, kolikrát se trefíte nebo netrefíte, jako spíše o výsledný vzorec poskládaný z kamenů, které otvory projdou. Pokud sázíte na dvě hromádky hned za otvory, máte naprostou pravdu.

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. 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:

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, foton se cestou od zdroje ke stínítku změní na vlnění a potom zase zpátky a dopadne na film zase 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 bossony, leptony a kvarky je malá mezera dosud neobjevených Higgsových částic, na konci stojí obr - ano, je to sám atom. I on si vyslechne zdrcující diagnózu - chronický částicově vlnový dualismus, třicetikorunový regulační poplatek zaplaťte, prosím, u sestřičky.

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.

Odložme volbu

Nicméně není ještě všem paradoxům konec. Pokud za štěrbiny nainstalujete detektor, abyste zjistili, kterou z nich objekt prošel, interferenční obraz na filmu zmizí. Samozřejmě, v kvantovém světě vždy měření ovlivňuje měřený objekt, dalo by se to tedy svést na vliv měření. Jenomže atom je už dostatečně velký na to, aby jej bylo možno šmírovat a přitom jej neovlivnit, tedy ne ovlivnit výrazně. A pokud to uděláme, obrazec mizí.

Ale to pořád není všechno. Když máme k dispozici záznam z obou detektorů a záznam ze stínítka, zjistíme, že detektory zachytily pouze polovinu z celkového počtu atomů. Rozumem to pochopíme zřejmě těžko, nicméně toto měření potvrzuje teoretické předpoklady. Takže i kdybyste se plácli přes kapsu a nainstalovali si na ledničku tyhle měřáky (jmenuje se to mikromaser), máte jenom 50% šanci chytit kočku při činu.

Ale to ještě pořád nejsme na konci příběhu. Pokud získáme informaci o tom, kterou štěrbinou objekt prošel, a tu uchováme bez toho, že bychom si ji přečetli, interferenční obrazec neuvidíme. Říká se tomu pokus s odloženou volbou, a pokud by tomu bylo naopak, došlo by k porušení kauzality, tedy řetězce příčin a následků. Naše rozhodnutí by ovlivnilo již ukončený pokus.

Stačilo pro dnešek, že ano? Taková esa, jako je teleportace, okamžitý přenos informací přes celou galaxii, energii vakua si necháme do dalších pokračování...

Kudy létají

Mne by velmi zajímal váš názor na to, kudy projde ta polovina atomů, které dopadnou na stínítko, ale nejsou detekovány mikromasery. Takže dikuse na toto téma je jen vaše ...

Pokud se Vám tyto články líbí, jejich pokračování můžete už dnést nalézt na emag.cz