29.10.2016-17:32:00   |   Marek Jurčík
#Kozmos
Teoretické predpovede kvantovej mechaniky narobili vo fyzike poriadny zmätok. Častice sa raz správajú ako vlna, inokedy ako bežné telesá. A navyše, ako keby prechádzali viacerými miestami súčasne. Keď sa ale vedci pokúsili problematiku experimentálne preskúmať, zvláštnosti odrazu zmizli. Všetko vyzeralo úplne normálne. Čo spôsobilo túto zmenu? Ide asi o najväčšiu záhadu kvantovej mechaniky, ktorú sa snaží vyriešiť viacero hypotéz. My si predstavíme štyri najznámejšie.



Za všetko môže pozorovateľ?

Teoretický fyzici na čele s Nielsom Bohrom, ktorý stál pri zrode kvantovej teórie, prišli s hypotézou, že pri natoľko malých štruktúrach, ako sú elektróny, nemožno zanedbať zásah samotných meracích prístrojov alebo tzv. pozorovateľa. Ide o najstarší pohľad na problém kvantového merania, ktorý nesie pomenovanie klasická alebo tiež kodanská interpretácia.

Ako príklad použijeme spomínaný elektrón, rovnako sa ale správajú všetky štruktúry mikrosveta. Kvantová mechanika ich neopisuje presnými súradnicami, ale pomocou vlnovej funkcie, ktorá namiesto presných súradníc udáva jedine pravdepodobnosť nálezu v určitej oblasti. Tá sa zvyšuje s rastúcou amplitúdou vlny a je najväčšia na mieste jej najvyššieho hrotu. Vždy ale existuje istá nenulová pravdepodobnosť, že elektrón sa nachádza prakticky kdekoľvek vo vesmíre, aj o niekoľko svetelných rokov ďalej.

Podľa kodanskej interpretácie preto o danej častici, v našom prípade o elektróne, nemožno povedať nič určité, pokiaľ naň experimentátor nezamieri svojimi zariadeniami. Doposiaľ ako keby ani neexistoval v pravom slova zmysle. Až vďaka pokusu nadobúda konkrétne vlastnosti a polohu. Ide o dôsledok kolapsu vlnovej funkcie.1 V mieste nálezu sa vlna „zašpicatí“ do jedného vrcholu, ktorý reprezentuje stopercentnú pravdepodobnosť výskytu. Čiže častica sa vynorí na konkrétnej pozícii. Na všetkých ostatných miestach v priestore sa vlnová funkcia úplne vyrovná.

Princípy kodanskej interpretácie sa stali žriedlom rôznych guruov a mystifikátorov. Tí hlásajú pseudovedecké až ezoterické tvrdenia o vplyve mysle na realitu, odvolávajú sa na kvantovú mechaniku, ktorú v skutočnosti hrubo dezinterpretujú. Ich interpretácie síce znejú vedecky, ale sú to nezmysly.



Niečo ešte chýba

Klasická interpretácia nebola všeobecne prijatá. Predstava elektrónu utvoreného takpovediac pozorovateľom sa nepozdávala ani Einsteinovi. Ten si Bohra rád doberal otázkou, či Mesiac existuje len preto, lebo sa naň práve pozerá myš. Veril v usporiadanie sveta s jasnými súradnicami, v ktorom sa výsledok dá presne predpovedať a neobmedzujú ho žiadne nezmyselné pravdepodobnosti.

Týmito myšlienkami nakazil aj mladého fyzika Davida Bohma, ktorý napokon vypracoval vlastnú koncepciu kvantovej mechaniky. Tvrdil, že elektróny existujú nezávisle na pozorovaní. Jednoducho sa v ničom nelíšia od bežných objektov. Aby však výpočty vychádzali správne, do rovníc musel zaviesť dodatočný parameter, akýsi kvantový potenciál. Ide o zložitejšiu obdobu klasickej Schrödingerovej vlnovej funkcie. Bohm ju charakterizoval ako určitý druh poľa zloženého z nekonečného množstva prelínajúcich sa vĺn. Táto funkcia nie je pričlenená každej častici zvlášť, ale existuje „vedľa“ ako oddelená súčasť reality rozprestretá naprieč celým vesmírom. Hoci ju nedokáže žiaden prístroj zachytiť, jej vplyv je na úrovni mikrosveta nezanedbateľný.

Bohmova vlnová funkcia totižto vôbec neudáva pravdepodobnosť, ale priamo vplýva na elektrón. Ako keby stála v pozadí a poštuchávala ho do určitej lokality. Práve tento mechanizmus je zodpovedný za to, že sa častica objaví na danom mieste. Experimentátor nevytrhuje objekt z polievky neurčitostí, ako tvrdí kodanská interpretácia, ale ovplyvňuje kvantový potenciál. Práve od tohto poľa závisí stav elektrónu a nie od vonkajšieho zásahu.

Koncepcia skrytého parametra ale nedokáže uspokojivo vysvetliť tzv. „hrozivé pôsobenie na diaľku“. V rámci páru kvantovo „previazaných“ elektrónov reaguje jedna častica na zmenu kvantového stavu druhej nezávisle na vzdialenosti. V takom prípade by kvantový potenciál musel vysielať informácie o jednotlivých objektoch nadsveteľnou rýchlosťou, čo je v rozpore so špeciálnou teóriou relativity.2



Paralelné svety


-


Asi najkontroverznejšie vysvetlenie kvantových zvláštností predložil v roku 1957 ako svoju dizertačnú prácu študent Princetonskej univerzity Hugh Everett. Rovnako ako David Bohm zastával názor, že svet atómov sa v ničom nelíši od makrosveta. Čiže žiadne neurčité parametre. Ba čo viac, nepotrebuje ani pozorovateľa a dokonca nevyžaduje ani prítomnosť riadiacej vlny či inej funkcie. V čom je teda háčik? Celá jeho koncepcia stojí na predpoklade, že náš vesmír je jedným z nekonečného množstva ďalších.

Everett z kvantovej mechaniky úplne vylúčil pojem pravdepodobnosti. Všetky, vrátane najmenej mysliteľných udalostí, ktoré opisuje vlnová funkcia, či Heisenbergove matice, sa skutočne udejú – v inom svete. Vesmír sa v každom okamihu štiepi, vytvára kópie samého seba vždy, keď sa naskytne viacero potenciálnych výsledkov.

Len kvôli jedinému elektrónu existuje celá hromada osobitých vesmírov, ktoré sa ešte ďalej množia. A to platí pre každú jednu časticu, všetky objekty navôkol a samozrejme aj ľudí. Čiže podľa Everetta existuje nespočetne veľa oddelených svetov, v ktorých sa nachádzajú „klony“ každého z nás. Tie môžu byť takmer navlas rovnaké alebo úplne odlišné.(O paralelných vesmíroch z pohľadu kvantovej mechaniky sme písali aj v tomto článku) Ostatní fyzici prácu spočiatku pokladali skôr za produkt mysle plnej fantázie ako za solídnu hypotézu. Vedecké teórie totižto stoja na princípe Occamovej britvy, podľa ktorej sa – pokiaľ sú iné okolnosti porovnateľné - uprednostňuje jednoduchšie riešenie. Myšlienka nekonečného množstva rôznych realít však takou rozhodne nie je. Taktiež prináša so sebou viacero morálnych otázok. Avšak predpovede tejto mnohosvetovej interpretácie sa v ničom nelíšia od výsledkov vyššie spomínaných interpretácií.



Zásah okolia

Ukazuje sa ale, že zaužívané rovnice nevyžadujú žiadne dodatky, ako sú paralelné svety či špeciálna úloha pozorovateľa, na ktorých stoja ostatné interpretácie, pokiaľ sa aplikujú na neizolované štruktúry. Všetky zvláštnosti totižto vystupujú jedine v zápisoch, ktoré sú sformulované pre svet vnútri atómov, prípadne pre častice izolované od prostredia. Avšak v reálnych podmienkach je okolitý priestor priam prepchatý ďalšími časticami, ktoré na seba vzájomne vplývajú.

Práve tento proces teoreticky môže nahradiť úlohu pozorovateľa, pretože tvar vlnovej funkcie upravujú rovno polia a telesá okolia. Výsledok by bol rovnaký, ako po zásahu meracieho prístroja, vlna napokon skolabuje v určitom mieste. Konečný stav sa potom určí bežnou štatistikou, podobne ako pri hode mincou. Podľa výpočtov celý proces trvá veľmi krátko, a je o to rýchlejší, čím je prostredie hustejšie. Napríklad vlnová funkcia prachového zrnka v najpustejších hlbinách vesmíru sa zrúti už po jednej milióntine sekundy. Ak by sa nachádzalo v bežných podmienkach, napríklad v byte, jeho vlna skolabuje za 10-36 sekundy.

Tento proces sa nazýva aj dekoherencia. Do povedomia sa dostal najmä vďaka práci, ktorú v roku 1970 publikoval nemecký fyzik Dieter Zeh. Vedci sa ale stále nezhodujú v otázke, či ide len o hypotézu, alebo skutočnú vlastnosť častíc a vôbec všetkých objektov. Avšak prebehlo už viacero experimentov, ktoré hovoria v prospech dekoherencie.

V priebehu desaťročí sa objavilo ešte množstvo iných viac či menej kontroverzných vysvetlení problému kvantového merania. Niektorí napríklad hovoria o dôkaze existencie všadeprítomného Boha, ktorý nahrádza úlohu pozorovateľa. Asi najjednoduchšie je ale prijať skutočnosť, že človek záhadám na najmenšej úrovni nikdy neporozumie.



Na záver si pripomeňme slová geniálneho amerického fyzika Richarda Feynmana, ktorý problematiku zhrnul výrokom: „Teória kvantovej mechaniky popisuje prírodu ako absurdnú z hľadiska zdravého rozumu. A plne súhlasí s experimentom. Preto dúfam, že dokážete prírodu prijať takú, akou je – absurdnú.“


-



-

Poznámky
1. Správanie vlnovej funkcie v priestore a čase opisuje rovnica, ktorú sformuloval Erwin Schrödinger na opis pohybu elektrónu vnútri atómu. Avšak ani samotný tvorca nevedel ako chápať povahu funkcie. Až nemecký fyzik Max Born navrhol, že reprezentuje pravdepodobnosť, a tiež zaviedol proces kolapsu v určitom mieste.
2. Paradoxne, toto správanie častíc ako prvý opísal Albert Einstein spolu s Borisom Podolským a Nathanom Rosenom. Pôvodne mal nápad podkopať úspechy kvantovej mechaniky. Aspoň že sa Einstein nedožil experimentálneho overenia. Myšlienky sa totižto v roku 1964 chopil temperamentný Ír John Bell. Výsledkom bol teorém, vďaka ktorému sa takéto správanie napokon skutočne podarilo potvrdiť.

Zdroje
Brian Greene – Struktura vesmíru (Čas, prostor a povaha reality), Paseka (2012)
Timothy Ferris – Všetko o vesmíre, Remedium (2005) 
John Gribbin - Schrodingerova koťata, Columbus, (2001)

Michio Kaku - Hyperprostor, Argo, Dokořán (2008)
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok






Za podporu ďakujeme

Pridať e-mail