Kvantová fyzika patrí medzi najúspešnejšie vedecké teórie, aké ľudstvo vytvorilo. Zároveň je však taká zvláštna, že aj po viac než sto rokoch pôsobí miestami ako niečo zo science fiction.
V mikroskopickom svete totiž prestávajú platiť intuície, na ktoré sme zvyknutí z bežného života. Častice sa správajú ako vlny, meranie mení výsledok experimentu a dve častice môžu zostať prepojené spôsobom, ktorý kedysi znepokojoval aj samotného Einsteina.
Ako je možné, že príroda funguje takto divne?
Svet atómov sa neriadi rovnakými pravidlami ako lopta či auto
V každodennom živote vieme približne povedať, kde sa predmet nachádza a kam sa pohybuje.
Ak hodíme loptu, môžeme vypočítať jej dráhu.
V kvantovom svete to však také jednoduché nie je.
Elektrón v atóme si nemožno predstavovať ako malú planétu, ktorá obieha jadro po presne určenej dráhe.
Namiesto toho kvantová mechanika opisuje pravdepodobnosť, kde sa elektrón môže nachádzať.
Kým neurobíme meranie, systém nemusí mať jednu jednoznačnú hodnotu, akú by sme očakávali z klasickej fyziky.
Častica aj vlna zároveň
Jedným z najznámejších javov kvantovej fyziky je vlnovo-časticový dualizmus.
Svetlo sa môže správať ako vlna, ale zároveň ako prúd častíc nazývaných fotóny.
Ešte zvláštnejšie je, že podobné správanie vykazujú aj elektróny a ďalšie častice hmoty.
Najslávnejším príkladom je experiment s dvojitou štrbinou.
Keď elektróny prechádzajú cez dve úzke štrbiny, môžu na detektore vytvoriť interferenčný obrazec typický pre vlny.
Vyzerá to, akoby jeden elektrón určitým spôsobom „prechádzal oboma možnosťami“.
Ak sa však pokúsime presne zistiť, ktorou štrbinou prešiel, výsledok experimentu sa zmení.
A práve tu začína kvantová fyzika poriadne provokovať našu intuíciu.
Čo znamená, že častica je na viacerých miestach?
Často sa hovorí, že kvantová častica môže byť „na dvoch miestach naraz“.
Je to užitočné zjednodušenie, ale realita je trochu presnejšia.
Kvantový systém môže existovať v superpozícii viacerých možných stavov.
Namiesto jednej určitej polohy ho opisuje kombinácia možností.
Až meranie dá konkrétny výsledok.
Napríklad elektrón môžeme pred meraním opísať ako systém s určitou pravdepodobnosťou výskytu na rôznych miestach.
Po meraní však získame jeden konkrétny výsledok.
Presne to, čo sa pri tomto prechode deje, patrí medzi najdiskutovanejšie otázky fyziky.
Schrödingerova mačka mala ukázať, aké je to absurdné
Fyzik Erwin Schrödinger vymyslel slávny myšlienkový experiment s mačkou zavretou v krabici.
V krabici je mechanizmus naviazaný na kvantovú udalosť.
Podľa zjednodušenej interpretácie kvantovej superpozície by mohol byť systém pred otvorením krabice v kombinácii stavov, v ktorých je mačka živá aj mŕtva.
Schrödinger tým nechcel tvrdiť, že skutočné mačky bežne existujú v takomto stave.
Naopak.
Chcel ukázať, aké zvláštne dôsledky môže mať prenesenie kvantových pravidiel do sveta veľkých predmetov.
Meranie nie je len obyčajné pozeranie
Jedna z najčastejších predstáv je, že vedomie človeka magicky mení kvantový systém.
To nie je potrebné.
V kvantovej fyzike „meranie“ znamená fyzickú interakciu systému s meracím zariadením alebo prostredím.
Keď chceme zistiť polohu častice, musíme s ňou nejako interagovať.
Táto interakcia môže ovplyvniť jej stav.
Nie je teda potrebné, aby pri experimente sedel človek a pozeral sa naň.
Fyzika sa deje aj bez diváka.
Heisenbergov princíp neurčitosti
Kvantová mechanika prináša aj slávny princíp neurčitosti.
Hovorí, že niektoré dvojice fyzikálnych veličín nemožno súčasne určiť s ľubovoľnou presnosťou.
Najznámejším príkladom je poloha a hybnosť častice.
Čím presnejšie poznáme polohu, tým menej presne môžeme poznať jej hybnosť – a naopak.
Nie je to iba problém nedokonalých prístrojov.
Ide o základnú vlastnosť kvantovej teórie.
Príroda na tejto úrovni jednoducho nie je usporiadaná spôsobom, ktorý by nám umožnil priradiť každej veličine súčasne úplne presnú klasickú hodnotu.
Prepletenie: Einsteinov „strašidelný“ problém
Jedným z najpodivnejších javov je kvantové prepletenie.
Dve častice môžu vzniknúť v spoločnom kvantovom stave tak, že výsledky ich meraní zostávajú navzájom silno prepojené.
A to aj vtedy, keď ich od seba vzdialime.
Einstein tento jav kritizoval a preslávil sa výrazom „strašidelné pôsobenie na diaľku“.
Neskoršie experimenty však ukázali, že kvantové korelácie sú skutočné a nemožno ich jednoducho vysvetliť klasickou predstavou skrytých vlastností, ktoré si častice niesli od začiatku.
Dôležité však je, že kvantové prepletenie neumožňuje posielať informácie rýchlejšie než svetlo.
Takže žiadne okamžité medzihviezdne správy zatiaľ nehrozia.
Kvantové tunelovanie: keď častica prejde cez bariéru
Predstavme si loptu, ktorá sa kotúľa ku kopcu.
Ak nemá dostatok energie, cez kopec sa nedostane.
V kvantovom svete však môže častica s určitou pravdepodobnosťou preniknúť cez energetickú bariéru aj v prípade, keď by podľa klasickej fyziky nemala mať dostatok energie.
Tomuto javu sa hovorí kvantové tunelovanie.
Znie to absurdne, ale je to veľmi reálny efekt.
Bez kvantového tunelovania by nefungovali niektoré polovodičové zariadenia a tento jav zohráva úlohu aj v procesoch prebiehajúcich vo hviezdach.
Kvantová fyzika už dávno nie je iba teória
Kvantová mechanika je základom obrovskej časti modernej techniky.
Bez nej by sme nemali:
- tranzistory,
- moderné procesory,
- lasery,
- LED diódy,
- polovodičové senzory,
- veľkú časť modernej elektroniky.
Kvantové javy teda nepoužívame iba v laboratóriách.
Každý smartfón je do istej miery praktickou demonštráciou toho, že kvantová fyzika funguje.
A potom sú tu kvantové počítače
Klasický počítač pracuje s bitmi, ktoré majú hodnotu 0 alebo 1.
Kvantový počítač používa qubity, ktoré môžu existovať v superpozícii stavov.
V kombinácii s kvantovým prepletením to umožňuje úplne iný spôsob spracovania informácií.
Neznamená to však, že kvantový počítač bude automaticky rýchlejší pri každej úlohe.
Jeho výhoda sa týka určitých špecifických problémov, napríklad niektorých typov simulácií, optimalizácie alebo kryptografických úloh.
Kvantové počítače sú navyše mimoriadne citlivé na rušenie a udržať qubity v použiteľnom stave je technologicky veľmi náročné.
Prečo kvantové efekty nevidíme v bežnom svete?
Ak sú kvantové pravidlá základom celej prírody, prečo nevidíme stôl na dvoch miestach naraz?
Jedným z hlavných dôvodov je dekoherencia.
Veľké objekty neustále interagujú s obrovským množstvom častíc v okolí – so vzduchom, svetlom, teplom a ďalšími vplyvmi.
Krehké kvantové superpozície sa tým veľmi rýchlo strácajú.
Čím je systém väčší a zložitejší, tým ťažšie je izolovať ho od prostredia.
Preto sa svet okolo nás javí klasický, aj keď jeho najhlbšie základy sú kvantové.
Znamená kvantová fyzika, že realita neexistuje?
Nie.
Kvantová mechanika nehovorí, že „nič nie je skutočné“ alebo že si človek môže realitu vytvárať myšlienkami.
Takéto tvrdenia sú skôr populárnou mystikou než fyzikou.
Kvantová teória veľmi presne predpovedá výsledky experimentov.
Diskusia sa vedie skôr o tom, čo matematický opis kvantovej mechaniky znamená pre samotnú povahu reality.
Existuje viacero interpretácií.
Niektoré hovoria o kolapse vlnovej funkcie, iné o mnohých svetoch a ďalšie pristupujú k problému úplne inak.
Experimentálne výsledky sú však rovnaké.
Čím viac kvantovej fyzike rozumieme, tým zvláštnejšie vyzerá vesmír
Kvantová mechanika je nádherným príkladom toho, že príroda nemá povinnosť fungovať podľa našej intuície.
Naša intuícia vznikala vo svete stromov, kameňov, zvierat a predmetov veľkých niekoľko centimetrov či metrov.
Nebola vytvorená na pochopenie elektrónov, fotónov a atómov.
A keď sa pozrieme dostatočne hlboko do štruktúry reality, objavíme svet pravdepodobností, superpozícií a prepletenia.
Svet, ktorý pôsobí absurdne.
A pritom podľa neho funguje prakticky všetko okolo nás.
