Kdy není energie kvantována (kamínky nám názorně vysvětlují kvantovou mechaniku)

Co je to za hloupost, řeknete si! Energie je přece vždy kvantována! Vždyť kvantová mechanika začala Planckovým pochopením, že musí počítat energii po kvantech a ne spojitě. A Einstein to vzal i fyzikálně vážně představou fotonů.

A v této argumentaci bychom mohli pokračovat. On ten Planck v roce 1900 přece kvantoval vyzařovanou energii (absolutně) černého tělesa (třeba vlákna žárovky). Tedy vlastně kvantoval záření, které vysílají atomy. Jeho výpočty ukazovaly, že by během chvilky měla být vyzářená nekonečná energie, kdyby záření kvantováno nebylo. Ale žádná nekonečná energie se v realitě nevyzařovala (a ostatně je to taky nemožné). Ony "spojité" výpočty popisovaly skutečnost úplně špatně, dokud milý Max nezaložil svůj matematický model právě na kvantování energie. Tuto kvantovou diskrétnost můžeme dokonce vidět, a to třeba v podobě spektrálních čar (viz obrázek níže). 

Na pozadí všech frekvencí, tedy všech energií světla (neboli na pozadí celého barevného spektra) vidíme tmavé čáry. Tyto tmavé (absorpční) proužky vznikají tak, že konkrétní atomy pohlcují jen některé frekvence záření, tedy jen záření s přesně určenými energiemi. Energie (elektronů v atomech) je tedy kvantována. Není to tak, že je spektrum konkrétního atomu celé černé, což by muselo být, kdyby konkrétní prvek absorboval spojitě všechny energie. Každý prvek má dokonce své přesné frekvence, svůj "podpis", své charakteristické spektrální čáry (viz obrázek níže).

Tyto čáry jsou dány rozdíly energií "oběžných drah" jeho elektronů. Ony "dráhy" mají přesné energie, a tak elektron, který přeskočí z vyšší dráhy na tu nižší (viz obrázek níže), vyzáří foton o jedné konkrétní energii a žádné jiné. (Nebo, jde-li o pohlcení, foton předá jen přesně tu energie, která elektron právě zvedne z jeho nižší dráhy na vyšší.) Zkrátka vše je tu kvantováno. Opravdu?

Jak je potom ale možné, že je třeba spektrum "za" tmavými (absorpčními) čarami spojité, jak nám ukazují přístroje? Nejsou tam žádné skoky, žádné pauzy! Tady by to bylo asi trochu složitější, tak zkusme přehlednější argument. Je dobře známo, že když foton stoupá v gravitačním poli, ztrácí svoji energii spojitě. Může tedy vlastně nabýt libovolné energie, ne jen určité. Foton ztrácí energii tzv. rudým posuvem. (Anebo si představme, že se rozletíme proti fotonu, pak se vzrůstající rychlostí naší kosmické lodi bude plynule vzrůstat energie fotonu, kterému letíme vstříc. Když budeme naopak postupně zrychlovat ve směru jeho letu, bude jeho energie vůči nám zase spojitě klesat.)

Tak je ta energie kvantována, nebo není? Ano, je, například fotony jsou kvanta elektromagnetického záření, jehož energie je vždy v diskrétních porcích. Dá se do určité míry říci, že světlo je proud balíčků energie. Jenže tyto balíčky mohou mít libovolnou "velikost". Je to třeba jako s kameny (viz obrázek výše). Každý kámen je "kvantum", ale toto kvantum může být jakkoliv veliké, může mít libovolnou váhu. Můžeme pilníkem obrousit vždy malinký kousek a tímhle způsobem můžeme kámen a jeho hmotnost spojitě zmenšovat.

Tím jsme vše vysvětlili na úrovni současné kvantové mechaniky. Nechcete ale jít ještě o krůček dále? Zkusme to: Určitě víte, že tím pilníkem nemůžeme zmenšit kámen o méně než jeden atom, či méně než jednu částici (elektron). Tedy i tato spojitá řada snižování energie fotonů není úplně spojitá. Její kroky jsou též jemně kvantovány. Ale tato kvanta jsou mnohem, mnohem menší než jednotlivé kameny. Podobně se zřejmě i energie fotonů může měnit jen po maličkých diskrétních krocích. Ale to už jsme někde v království budoucí kvantové gravitace, která kvantuje i prostoročas a to zřejmě (podstatně?) jemněji než současná "kvantovka".

A když jsem u té kvantové mechaniky - někdo může správně namítnout, že fotony mají přece i vlnové vlastnosti, jak velí "kvantovka". To si můžeme (zjednodušeně a nepřesně) představit jako písek či malé kamínky unášené proudem vody. Pak se budou kamínky pohybovat také "na vlnový způsob", přestože to jsou jen "částice".

Podrobně se můžete dočíst o spektrálních čarách v blogu Existovaly ve vesmíru neznámé chemické prvky nebo za nimi musíme do vesmírů jiných? A obstojně můžeme pochopit vlnové projevy v kvantové mechanice třeba v blogu Je naše vědomí kvantové, jak tvrdí Roger Penrose? A co třeba Nevědecké pohádky moderní vědy III - "náboženství" Schrödingerovy kočky?