V roce 1801 vyvrátil Thomas Young Newtonovu částicovou teorii světla pokusem, při kterém světlo dopadalo na stínítko se dvěma štěrbinami. Young sledoval interferenční obrazec na dalším stínidle; obrazec se dal správně vysvětlit superpozicí vln. Nyní nás napadne otázka - co když se intenzita světla zeslabí tak, že na dráze je vždy jen jedna 'střela', tedy foton. Jak potom může docházet k interferenci? Lucifer
Vlny a střely Podle Bohra k interferenci dochází, pokud se nikdo nedívá, kterou ze štěrbin foton prošel. Světlo není vlna, ani částice - tyto názvy můžeme objektu přisoudit až po změření jeho vlastností. Podle Schrödingerovy vlnové rovnice světelné fotony procházejí oběma štěrbinami. Přestože foton je jediná částice v tom smyslu, že má určitou hybnost a nedělitelnou energii, jeho poloha je 'rozmazaná' jako vlna, takže má efektivně dvě nezávislé existence, když štěrbinami prochází. Pokud se nesnažíme pozorovat jeho dráhu, pohybuje se zároveň po všech možných drahách. Můžete si myslet, že to vše je jen jakási hra se slovy, abstraktní myšlenkový experiment, jehož bizarnost zmizí, jakmile jej opravdu provedeme v reálném světě. K Bohrově radosti byste se však přesvědčili, že nemáte pravdu. Dvouštěrbinový experiment se dá také provést s elektrony, i ty vykazují za určitých podmínek vlnové vlastnosti. Experiment, při němž byl na dráze vždy jen jeden elektron, byl proveden až poměrně pozdě, v sedmdesátých letech 20. století. A fungovalo to: přestože byl na dráze jen jeden elektron a tedy by měl podle 'rozumné' úvahy projít vždy jen jednou štěrbinou, série elektronů postupně vysílaných k překážce se dvěma štěrbinami vytvářela na stínidle za ní interferenční vzorek. Když se ale k uspořádání pokusu přidalo ještě registrační zařízení, jež sledovalo, kterou štěrbinou elektron proletěl, interferenční obrázek zmizel. Jinými slovy, elektron se najednou začal chovat jako částice a ne jako vlna - opět jsme jakoby v říši duchů. To vše se zdá velmi vzdáleno Schrödingerově kočce - mezi elektronem a kočkou je přece jen nějaký rozdíl. Ale následné experimenty demonstrovaly kvantové chování i na objektech složených z více částic. Kvantový dvouštěrbinový experiment byl proveden s fotony, elektrony, atomy i s fullereny - molekulami složenými ze šedesáti atomů uhlíku. Když nebylo sledováno, kterou štěrbinou objekt prolétl, záhadné interferenční efekty nezmizely. Existuje projekt na uskutečnění pokusu s viry, tedy objekty podstatně většími, než jsou fullerenové molekuly. Není žádný principiální důvod, proč se zastavit na těchto rozměrech - až na neobyčejné experimentální obtíže, jak sledovat interferenci u koček. Jednou ze základních obtíží je, že reálnou kočku vždy vidíme na její dráze. V Schrödingerově myšlenkovém pokusu zůstává komůrka zavřená, nikdo tedy kočku nemůže pozorovat a interference zůstává nenarušená. To vede k zásadní otázce, co je to měření - Bohr se jí vždy vyhýbal. Je to v případě Schrödingerovy kočky otevření komůrky? Nebo až to, když se fotony odrazí od kočky a přinesou nám informaci, zda je mrtvá, či živá? Nebo to, když foton vstoupí do našeho oka? Nebo když se informace dostane k našemu vědomí? Bohrovou odpovědí na tento hlavolam zhruba bylo, že fyzici prostě vědí, kdy měření provedli. Moderní verze Schrödingerova myšlenkového experimentu však vrhly na problém mnoho světla a vysvětlují, proč kočka nemůže být skutečně živá i mrtvá zároveň. Teď se nedívej! Celý problém se týká rozhraní mezi 'klasickým světem' naší běžné zkušenosti a kvantovým světem atomů. O tom, kdy se stávají kvantové efekty důležitými, rozhoduje především délka de Broglieovy vlny příslušející danému objektu. Ta závisí na jeho hybnosti - čím větší hybnost, tím menší vlnová délka - a určuje měřítko, na kterém budou kvantové jevy patrné. Fullerenové atomy užité ve dvouštěrbinovém experimentu mají de Broglieovu vlnovou délku asi 10-12, tedy jednu biliontinu metru. Šířka štěrbiny byla asi půlmilionkrát větší. To je sice značný rozdíl, ale ještě ne takový, aby vlnové jevy zmizely. To je stále v linii Bohrova argumentu, že o naměřených charakteristikách rozhoduje volba měřícího přístroje, a poskytuje to hned dva důvody, proč kočka či osoba nemohou být - na rozdíl od fullerenu - na dvou místech současně. První je praktický. Kdyby se kočka loudala podél zdi rychlostí dejme tomu pár kilometrů za hodinu, měla by de Broglieovu vlnovou délku kolem 10-28 m. Její kvantově vlnové vlastnosti by se projevily jen na měřítkách těchto rozměrů. Takové zařízení ještě nikdo nepostavil, a proto kvantové vlastnosti kočky nemůžeme pozorovat. Každodenní život je v Bohrově schématu experimentální situace, kdy hmotné objekty vykazují pouze své částicové vlastnosti. Druhý důvod, proč jsme 'klasičtí', souvisí s tím, že vysíláme záření. Cokoli, co má teplotu vyšší než absolutní nula, tj. - 273 ºC, vysílá fotony, balíčky energie, které odnášejí teplo. Experimenty ukazují, že toto záření dovolí vyhledat polohu objektu, takže efektivně odhaluje, kterou štěrbinou prošel. Jinými slovy, při teplotě nad absolutní nulou nemůžeme Schrödingerovu kočku v komůrce plně izolovat, což narušuje předpoklady myšlenkového pokusu, jakmile jej převedeme do situace z reálného světa. Toto bylo experimentálně ověřeno s fullerenovými molekulami na dvouštěrbině. Čím více byly zahřáté, tím více se narušoval interferenční vzorek. Horké molekuly vysílají fotony, jejichž energie je určena teplotou. Vyšší teploty dávají vyšší energie, což odpovídá kratším vlnovým délkám. A čím kratší jsou vlnové délky emitovaného záření, tím přesněji lze určit polohu molekuly, jež je vyslala. Jinými slovy, teplé těleso poskytuje lepší informaci o tom, kterou štěrbinou prošlo. K podobnému efektu dochází, když se fullerenová molekula sráží na své dráze ke štěrbinám s molekulami vzduchu. Tyto pokusy se sice provádějí ve vakuu, není-li ale vakuum dostatečně vysoké, lze ze srážek vysledovat polohu fullerenu a znovu to vede k zániku interferenčního obrazce. Opět: když se dá zjistit, kterou štěrbinou fulleren prošel, interference se naruší. V částečném vakuu je chování fullerenů podobné situaci, kdy by byla komůrka se Schrödingerovou kočkou pootevřená. Tím by byla kočka uvedena do jednoho z možných stavů, takže by byla buď živá, nebo mrtvá, ale ne obojí současně. Měření tedy neznamená, že informace musí proniknout až do vědomí - musí jen uniknout ze zkoumaného systému. Vypadá to, že do jednoho ze stavů živá - mrtvá uvede kočku už jen zpráva o jejím zdravotním stavu, která pronikne na veřejnost. Když se jedná o lidi nebo o kočky, informace nutně unikají proto, že naše těla interagují s okolím nespočetně způsoby: vyzařují teplo, narážejí na okolní molekuly vzduchu. Tím je k dispozici informace o naší poloze a to znamená, že nemůžeme být na dvou místech současně. Toto rozrušování informací nazývají vědci 'dekoherencí'. Není to vůbec jednoduchý pojem - možná ukazuje na samou podstatu vesmíru. Informace a realita Když dnes fyzikové uvažují o záhadě Schrödingerovy kočky, ptají se, zda odtud neplyne, že tím nejzákladnějším elementem reality je informace. Kvantová teorie napovídá, jak jsme koneckonců demonstrovali na nešťastné Schrödingerově kočce, že vesmír je obrovský procesor zpracovávající informace. A má to i možné technické aplikace. Role informací v kvantové teorii nás vede k těm nejambicióznějším technickým projektům - k supervýkonným procesorům zvaným kvantové počítače. I kdyby však byly kvantové počítače sebevýkonnější, porozumět tomu, jak může být kočka zároveň živá i mrtvá, nám nepomohou. Přijmout to jako součást reality je pro lidskou mysl příliš odpudivé. Wolfgang Pauli nakonec fyziku neopustil a stal se z něj jeden z nejskvělejších fyziků v dějinách vědy, měl však pravdu - fyziku je opravdu těžké uchopit. Niels Bohr jednou řekl: "Ten, koho kvantová teorie nešokovala, ji nepochopil". Zdroj: Michael Brooks, Velké otázky: Fyzika
09.10.2011, 00:30:00 Publikoval Luciferkomentářů: 15