Kvantová teorie | Rostislav Szeruda

Hmotné objekty a struktury jsou tvořeny chemickými sloučeninami, které obsahují molekuly, jež se skládají z atomů chemických prvků. Atomy však nejsou základní stavební jednotkou hmoty, protože jsou tvořeny ještě elementárnějšími částicemi, jako jsou protony, neutrony, elektrony a fotony – částice světla. Ani to však nejsou všechny elementární částice. Existují piony, kaony, hadrony, hyperony, neutrina a mnohé jiné. A je dokonce možno předpokládat, že některé známé elementární částice jsou tvořeny ještě elementárnějšími částicemi, jako jsou například kvarky.

Experimentální výzkum na přelomu devatenáctého a dvacátého století ukázal, že elektrony a jiné elementární částice (nepříliš hmotné objekty) se chovají jinak, jsou-li pozorovány, a jinak, nejsou-li pozorovány. Jsou-li pozorovány, chovají se podobně jako malá zrnka písku. Nejsou-li pozorovány, nechovají se jako částice, ale spíše jako vlny, jež se vzájemně skládají, interferují, ohýbají se kolem předmětů či vytvářejí difrakční obrazce. Toto chování lze ukázat na příkladu následujícího experimentu.

Pro lepší pochopení doporučuji shlédnout toto video (po přepnutí na YouTube se objeví české titulky):

https://www.youtube.com/watch?v=ODLRz-0KBBU

Pro ty, co se nedívali na video. Stručný popis experimentu:

Mějme zdroj částic – například elektronů, které se po vyzáření ze zdroje budou pohybovat směrem ke stínítku skrze dvě malé štěrbiny. Necháme-li nejprve otevřenou štěrbinu č. 1 a č. 2 zavřeme, pak se na stínítku za touto štěrbinou vytvoří „hromádka“ elektronů, podobně jako bychom sypali zrnka písku na nějakou podložku skrz malý otvor. Totéž se stane, necháme-li otevřenou štěrbinu č. 2 a štěrbinu č. 1 zavřeme. Pod štěrbinou č. 2 vznikne také „hromádka“ elektronů. Necháme-li otevřené obě dvě štěrbiny a přidáme za ně čidla, která budou sledovat, kterým otvorem elektrony právě procházejí, získáme za štěrbinami větší „hromádku“ částic odpovídající součtu obou menších „hromádek“. Stále je to stejná situace, jako bychom sypali zrnka písku na podložku přes dva malé otvory:

Jiná situace však nastane, necháme-li procházet elektrony přes obě štěrbiny a nebudeme si všímat, kterou štěrbinou ten který elektron prošel – odstraníme detekční čidla. Místo klasické „hromádky“ či „hromádek“ elektronů podobných hromádkám zrnek písků se nám na stínítku objeví zcela jiný tvar, jenž je znám z nauky o vlnění jako tzv. difrakční obrazec:

Elektrony se chovají zcela jinak, jsou-li pozorovány, a zcela jinak, nejsou-li pozorovány. Jsou-li pozorovány, chovají se jako částice podobné zrnkům písku. Nejsou-li ale pozorovány, chovají se jako vlnění, skládají se a interferují spolu, což se pak projeví na stínítku vznikem difrakčního obrazce. Elektrony se tedy mohou chovat jako klasické částice i vlnění.

Je zajímavé, že elektrony mohou vytvářet na stínítku difrakční obrazec nezávisle na tom, zda prolétají skrze štěrbiny hromadně, nebo prolétají-li skrz štěrbiny po jednom. S čím ovšem jednotlivý elektron může interferovat, když prolétá skrze štěrbiny sám? Naše obvykle chápání reality předpokládá, že elektron proletí jednou nebo druhou štěrbinou. Skutečnost je nicméně taková, jako by elektron mohl proletět oběma štěrbinami současně, jako by se jedna skutečnost rozštěpila na dvě možné skutečnosti – na dvě možné historie.

Čím mají částice nižší hmotnost, tím více je u nich patrný kvantově-vlnový charakter. Čím lépe známe jejich polohu v určitém okamžiku, tím méně přesně víme, jak velkou rychlostí se pohybují. Naopak víme-li velmi přesně, jak rychle se pohybují, nevíme vůbec nic o tom, kde se právě nacházejí. Naše možnosti získat informace o poloze a hybnosti těchto částic začínají být omezeny tzv. kvantovými neurčitostmi, jimž se nelze principiálně vyhnout. Kvantový svět nemá pevné obrysy jako ten náš, ale je mnohem více rozmazaný a neurčitý.

Nacházejí-li se elementární částice v energetické pasti, aniž by měly dostatek energie, aby se z ní dostaly ven, je zde určitá možnost, že protunelují stěny své pasti a ocitnou se mimo ni. Kulička uzavřená v lahvi v nám známém svět by toho nikdy nebyla schopna. Elementární částice, která se nachází v tomto okamžiku na tomto místě prostoru, se může v příští sekundě s nenulovou pravděpodobností ocitnout na úplně jiném místě prostoru – třeba někde v jiné galaxii. Ani to klasická kulička nedokáže – nemůže být v této sekundě zde a v druhé třeba na konci Sluneční soustavy.

Mnoho vědců používá kvantovou teorii jako nástroj, jenž umožňuje matematicky popsat chování kvantových systémů. Jen málo fyziků si však položilo otázku, co je podstatou toho, že se elementární částice jednou chovají jako klasické částice a podruhé jako vlny. Jak je možné, že jedna částice může projít dvěma či více otvory současně? Co se s částicí děje, když ji právě nepozorujeme?

Samozřejmě se dá tento problém jednoduše smést ze stolu s tím, že ptát se na to, co nelze přímo pozorovat, nemá smysl – zvlášť když matematický popisný aparát kvantové mechaniky tak skvěle funguje. Naštěstí ne všichni vědci zastávají tento názor. Příkladem může být opět David Bohm, který vytvořil vlastní ontologickou interpretaci kvantové fyziky.

Svou interpretaci David Bohm založil na představě existence kvantového pole, jehož tvar je schopen řídit vlastní pohyb částic, přestože toto pole samo o sobě disponuje jen velmi malou energií. Kvantové pole je přítomno v každém místě časoprostoru, mapuje jeho tvar a podle něho usměrňuje pohyb mnohem větší energie částice. Toto pole není vidět, jeho energie není přímo měřitelná, a přesto jeho tvar určuje vlastní pohyb částice v prostoru.

Kvantová teorie říká, že fyzikální stav každé částice je plně určen její vlnovou funkcí. Často lze polohu částice omezit na velmi malou oblast prostoru. Pak by její vlnová funkce měla mít amplitudu výrazně odlišnou od nuly pouze v této oblasti. Takové vlnové útvary se nazývají vlnová klubka. Každé vlnové klubko je tvořeno superpozicí nekonečně mnoha monochromatických vln. Dá se ukázat, že se vlnové klubko volné částice s časem rozplývá.