Prejdete cez stenu?

Dokážete prejsť cez tehlovú stenu? Odpoveď väčšiny svojprávnych ľudí bude zrejme znieť: „Nie.“ Dôvod sa zdá byť jednoduchý. Stena predstavuje pevný kus hmoty bez otvorov, ktorými by sme mohli prekĺznuť na druhú stranu. Také je zdanie. A je to len a len zdanie.

Veda nám už desaťročia ukazuje, že mnohé naše zdania a samozrejmosťou zaváňajúce intuície o fungovaní prírody sú mylné. Napokon, tisícročia sa zdalo byť samozrejmosťou, že Slnko obieha okolo Zeme a nie naopak.

„Povedz mi,“ opýtal sa slávny filozof Ludvig Witgenstein priateľa, „prečo ľudia stále hovoria, že je prirodzené predpokladať, že Slnko obieha okolo Zeme namiesto toho, že Zem rotuje okolo neho?“

„Nuž, je to samozrejme preto, že to vyzerá tak, ako keby Slnko obiehalo okolo Zeme.“

Witgenstein odvetil: „A ako by to vyzeralo, kebyže to vyzerá tak, že Zem rotuje okolo neho?“



A podobne je to aj s našou stenou. V skutočnosti každá stena, ako i tá najtvrdšia skala, pozostáva takmer výlučne z prázdneho priestoru. Ak by sme na akúkoľvek pevnú látku pozreli s dostatočným zväčšením, pred našimi očami by sa rozprestrel absurdne prázdny priestor vyplnený maličkými fliačkami hmoty.

Hoci mreže tvorí takmer výlučne len prázdny priestor, väzeň žije v makro-svete, a tak si môže trhnúť nohou.

Džingischán v nás

Atómy sú maličké. Neskutočne maličké. Aby ste uvideli atómy, z ktorých pozostáva kvapka vody, museli by ste túto kvapku zväčšiť tak, aby merala 24 kilometrov. Okrem toho, že atómy sú neuveriteľne drobné, sú aj mimoriadne dlhoveké. „Dožijú“ sa 10³⁵ rokov, čo je číslo také veľké, že na to, aby ste ho dostali, musíte vynásobiť tisíc miliárd tisíckou miliárd a to celé ešte raz vynásobiť stovkou miliárd.

A samozrejme, atómy sú aj mimoriadne početné.

Z dlhovekosti a početnosti atómov vyplýva niekoľko pozoruhodných skutočností.

Vždy, keď vypijete pohár vody, dostane sa do vás prinajmenšom jedna molekula, ktorá prešla cez močový mechúr Juraja Jánošíka. Hovorí o tom základná teória pravdepodobnosti. Pritom na močovom mechúre Juraja Jánošíka nie je nič špeciálne. Pokojne by sme mohli namiesto jeho mena uviesť Džingischána, Ježiša alebo Olivera Cromwella.

A tým sa naše prepojenie s veľkými mužmi histórie zďaleka nekončí.

Niektorí ľudia sú hudobnými či filmovými hviezdami, a zase poniektorí ďalší takýmito hviezdami budú. Ale všetci do jedného sme hviezdou boli. Každý atóm vo vás bol takmer určite súčasťou viacerých hviezd. „Tie isté molekuly, ktoré tvoria vaše telo, a atómy, z ktorých tieto molekuly pozostávajú, možno vystopovať až k Veľkému tresku a do termonukleárnych kotlov vo vysokohmotných hviezdach,“ upozorňuje populárny astronóm Neil deGrasse Tyson. „Explóziou vyvrhli obsah svojich chemicky bohatých vnútorností do galaxie. Obohatili tak staré mračná plynu chémiou života. Sme prepojení. Navzájom biologicky. So Zemou chemicky. A s ostatkom vesmíru atomárne.“

Celé toto prepojenie sa zdá ešte úžasnejšie, keď uvážime, že približne miliarda atómov, ktorá je teraz vašou súčasťou, kedysi patrila Shakespearovi, ďalšia miliarda Džingischánovi, a tak by sme mohli pokračovať. S Buddhom, Hitlerom, Ježišom...

Ilúzia dotyku

Existencia atómu bola dlho iba hypotetická. A keď sa konečne podarilo niečo poriadne o ňom zistiť, zrazu vyrástol veľký problém. Ale poďme pekne po poriadku.



Zistilo sa, že atóm tvorí takmer bez výnimky (99,999999999999999 % objemu) prázdny priestor. Jeho skutočná hmota pozostáva z troch typov častíc. Protóny s kladným elektrickým nábojom tvoria jadro spolu s neutrónmi bez náboja, kým negatívne nabité elektróny rotujú okolo tohto jadra. Počet protónov dáva atómu jeho chemickú identitu – jeden protón znamená atóm vodíka, dva protóny znamenajú atóm hélia, tri atóm lítia atď. (pričom počet protónov sa rovná počtu elektrónov). Neutróny túto identitu nemenia ale predsa-len prispievajú k hmotnosti atómu. Takže rôzne podoby atómu odlišujúce sa počtom neutrónov, ale nie protónov, predstavujú izotopy prvku.

Jadro atómu tvorí síce iba 0,000000000000001 % objemu tejto častice – predstavte si muchu v katedrále, a dostanete obraz, aký je to pomer - ale na druhej strane je tak fantasticky husté, že tvorí prakticky všetku jeho hmotnosť. Atómy nedrží pokope gravitácia, ale iná, tzv. silná a slabá jadrová sila. Slabšia z dvojice je desať miliárd-miliárd-miliárd-krát silnejšia ako gravitácia. Obe majú krátky dosah, iba jednu stotisícinu priemeru atómu. Preto je všetka hmota atómu tak tesne natlačená v jadre.

Práve z týchto veľkostných pomerov v atómoch pramení skutočnosť, že celistvosť tuhých látok je len ilúzia. A ilúziou je aj akýkoľvek dotyk. Bez zveličenia možno povedať, že nikto sa nikdy ničoho skutočne nedotkol. Platí to aj vtedy, keď sa dva pevné objekty jeden od druhého odrazia, ako dve biliardové gule. Ako vysvetľuje popularizátor vedy Timothy Ferris: „Namiesto toho sa negatívne nabité polia dvoch gúľ odpudia... Nebyť ich elektrických nábojov, mohli by, tak ako galaxie, prejsť jedna skrz druhú bez ujmy.“

Alebo inak povedané, ako opisuje spisovateľ Bill Bryson, keď sedíte na kresle, v skutočnosti na ňom nesedíte, ale: „levitujete vo výške jedného angstromu (stotina milióntiny centimetra), pričom vaše elektróny a jeho elektróny nezmieriteľne odporujú akejkoľvek bližšej intímnosti.“

Šialené elektróny

Celkom nepresný model atómu.

Obraz o vnútre atómu, ktorý má väčšina ľudí v hlave, predstavuje akési miniatúrne guličky obiehajúce okolo jadra podobným spôsobom, ako planéty obiehajú okolo Slnka. Takto ho zobrazujú školské učebnice, takto ho zobrazujú populárne encyklopédie a takýto obraz používa taktiež CERN, Európska organizácia jadrového výskumu, ako svoje logo. Ibaže tento model je úplne nesprávny.

Presnejší model atómu. V tomto prípade atómu hélia.

Elektróny nielenže nemožno opísať ako pevné častice (hoci majú hmotnosť, nedisponujú žiadnym rozmerom), ich atómové orbitály (miesta výskytu) vôbec nepripomínajú obežné dráhy planét, ako sa ilustrujú v školských učebniciach chémie. Oveľa presnejšou analógiou by bolo prirovnať ich k akejsi zvláštne tvarovanej atmosfére okolo maličkej planéty (jadra).

Keď sa na tieto skutočnosti prišlo, fyzici nevedeli, čo si majú myslieť. Podľa vtedajších konvenčných predstáv by atóm nemal vôbec existovať! Zákony termodynamiky by totiž elektrónom kázali veľmi rýchlo prísť o svoju energiu a zrútiť sa smerom na jadro. Zákonitosti subatomického sveta však nie sú iba odlišné od všetkého, čo poznáme. Sú odlišné od všetkého, čo sme si kedy predstavovali.



Elektróny sa nezrútia do jadra, pretože môžu byť umiestnené iba na niektorých dobre definovaných oblastiach – zmienených orbitáloch. Elektrón by sa navyše nepresunul normálnym spôsobom z jedného orbitálu do druhého cez priestor medzi nimi. Kdeže. On by v jednom okamihu z jedného orbitálu doslovne zmizol a okamžite by sa objavil v druhom. A to bez toho, aby navštívil priestor medzi nimi. Ide o slávny fenomén tzv. kvantového skoku. Za toto šialené zistenie dostal Niels Bohr Nobelovu cenu za fyziku rok po Einsteinovi.

Pohyb elektrónov okolo jadra ničím nepripomína pohyb planét okolo hviezd. Miesta ich (najpravdepodobnejšieho) výskytu môžu mať, ako vidíte, v skutku čudesné tvary.

Všade a zároveň nikde

Ďalším hlavybôľom pre fyzikov skúmajúcich svet atómu bola skutočnosť, že elektróny sa v experimentoch niekedy správali ako vlnenie a inokedy ako častice. Na pochopenie problematiky subatomického sveta tak vznikali rôzne teórie. Nemecký fyzik Werner Heisenberg prišiel s teóriou maticovej mechaniky, ktorá bola tak matematicky zložitá, že jej takmer nikto nerozumel - vrátane samotného autora teórie. Heisenberg raz vyhlásil: „Veď ja ani neviem, čo to tá matica vlastne je.“

Rozlúsknutie problému priniesla až (ne)slávna kvantová mechanika. V jej srdci leží tzv. Heisenbergov princíp neurčitosti hovoriaci, že elektrón je častica, ktorú možno opísať ako vlnu, pričom môžeme poznať iba trasu elektrónu alebo poznať, kde sa elektrón práve nachádza. Oboje však vedieť nemožno. Zmerať jedno naruší druhé. V praxi to znamená, že nemožno predpovedať, kde sa bude elektrón nachádzať v konkrétnom čase, možno iba uviesť pravdepodobnosť, že na danom mieste bude. Podľa Dennisa Overbyeho, popularizátora vedy špecializovaného na fyziku a kozmológiu, dokonca elektrón v istom slova zmysle neexistuje, pokiaľ nie je pozorovaný a dovtedy treba o ňom hovoriť, že sa naraz nachádza všade a zároveň nikde. Nečudo, že keď sa Heisenberga spýtali, ako si teda máme atóm predstaviť, slávny fyzik pobavene odvetil: „Ani sa o to nepokúšajte.“

A aby sme všetko ešte skomplikovali, vráťme sa k analógii zobrazenia atómu ako maličkej planéty (jadra) obkolesenej obrovskou atmosférou (orbitálmi elektrónov). Táto atmosféra či oblak predstavuje vlastne iba zónu štatistickej pravdepodobnosti označujúcej územie, mimo ktorého sa elektrón obvykle nevyskytuje. Do istej malej miery je tak vždy možné, že daný elektrón sa práve nachádza kdekoľvek v atóme, či dokonca kdekoľvek vo vesmíre, čo pre niektoré elektróny skutočne platí. Ako by to nebolo málo, experimenty ukazujú, že sa pokojne môžu nachádzať súčasne na viacerých miestach...

Zvrhlosti reality

Ukázalo sa, že nielenže elektróny sa dostanú z miesta A do miesta C bez toho, aby sa nachádzali v mieste B, ale hmota dokáže dokonca vzniknúť celkom z ničoho, pokiaľ, ako sa vyjadril americký fyzik Alan Lightman z MIT, rovnako náhle znova zanikne. Nejde o fantáziu, účinky takýchto virtuálnych častíc dokážeme merať. A nájdete ich všade, sú pevnou súčasťou každého atómu vo vašom tele.

Ďalšou zo zvrhlostí reality je, že podľa kvantovej mechaniky niektoré subatomické častice dokážu „vedieť“, čo ta druhá robí aj naprieč tými najobrovitejšími vzdialenosťami. Častice majú vlastnosť zvanú spin (ekvivalent v našom makroskopickom svete neexistuje) a v momente, keď určíte spin jednej z dvojice, jeho sesterská častica bude okamžite spinovať resp. otáčať sa opačným smerom. A je úplne jedno, aké vzdialenosti ich od seba delia. Spisovateľ Lawrence Joseph prirovnal túto situáciu k dvom loptám v bazénoch – jeden bazén sa nachádza na Fidži, druhý v Ohiu, ibaže v momente, keď by ste jeden roztočili, druhý by sa okamžite začal otáčať do opačnej strany identickou rýchlosťou. A čo je asi najzvrhlejšie, nejde o žiaden hypotetický scenár, ale o experimentálne dokázaný fakt. V roku 1997 tento jav demonštrovali na fotónoch ženevskí fyzici.

Aby demonštroval intuícii sa vzpierajúce pochody kvantového sveta, vymyslel Erwin Schrödinger myšlienkový experiment, v ktorom umiestnime mačku do krabice s jedným atómom rádioaktívneho prvku pripevneného na ampulku s kyanovodíkom. Ak by sa prvok rozpadol, spustil by mechanizmus, ktorý by porušil ampulku a jed by mačku zabil. Dokiaľ by sa nerozpadol, mačka by žila. Rozpad prvku je iba otázka štatistickej pravdepodobnosti. Atóm žiadneho prvku skrátka nemá dopredu istý rozpad vtedy alebo inokedy. To znamená, že do otvorenia krabice by sme museli z vedeckého hľadiska považovať mačku za 100 % živú a zároveň 100 % mŕtvu.

-

Príspevok vyšiel pôvodne v magazíne GoldMan.

Obrázky: public domain, Yzmo, A2569875

Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok

Tweet