Kdy neplatí Heisenbergovy relace neurčitosti kvantové mechaniky

Většina lidí si myslí, že experimentálně ověřené Heisenbergovy relace neurčitosti, jsou absolutně nepřekročitelnou hranicí, za kterou je už jen náhoda. Zkusme trochu prozkoumat, je-li to pravda. (5 minut čtení)

Nejdříve jen drobnou historickou poznámku. Niels Bohr, autor v současné době nejvíce známé interpretace kvantové mechaniky, tzv. Kodaňské (která byla nicméně postupně vylepšována), se dost vztekal, když Heisenberg přišel s touto formulací principu neurčitosti. Tento princip říká, že některé kombinace dvou vlastností nelze současně měřit přesně a že součin nepřesnosti takových dvou změřených veličin, je vždy větší než (kruhová) Planckova konstanta. Těmito kombinacemi vlastností jsou třeba impuls a poloha částice nebo její energie a čas, doba života.

Na to, abychom pochopili, jsou-li relace neurčitosti nepřekonatelné a kvantová náhoda neodstranitelná, stačí empirická zkušenost nebo logická úvaha. Začněme tou zkušeností. Ta nám říká, že za každou náhodou se skrývá determinismus, kauzalita. Když v daný okamžik sklouzne zapomenutá cihla ze střechy, je to sice náhoda, ale ta se dá vysvětlit třením materiálů, třeba faktem, že začalo pršet, což postupně součinitel smykového tření snižovalo, až síla způsobená gravitací v daném směru byla větší než ono tření.

Nebo si raději vezmeme příklad vrhací kostky. Snad žádný fyzik nepochybuje, že i když je náhoda, které číslo padne, že kdybychom měli přesné informace o tom, v jaké poloze a rychlosti kostka ruku opustila, přesné informace o každé molekule vzduchu v místnosti, o poloze stolu atd., mohli bychom vypočítat, jaké číslo padne bez toho, abychom se na kostku podívali. Chcete-li více pouvažovat o tom, že náhoda vlastně náhodou není, a že to jen iluze, jak zní módní pokleslá formulace, otevřete si text Náhoda neexistuje a přesto se jí nelze nikdy zbavit.

Můžeme jít na to i logicky a na základě faktu, že každá vědecká teorie, každé vědecké sdělení, každý pojem je jen a pouze zjednodušeným modelem, můžeme usoudit, že každá náhoda je též jen zjednodušený model. Dokonce, na základě rozboru o odstavec výše můžeme uvážit, že náhoda je extrémně zjednodušený model, dokonce "prázdný" model, kybernetika by řekla "black box", ze kterého známe jen výstupy a ne to, co je uvnitř. Ale přesto něco uvnitř nutně být musí. Něco musí způsobovat vnější chování, chování je vždy projevem vnitřní struktury, jak učí teorie systémů. Dokonce představa, že existuje nepřekonatelná náhoda či relace neurčitosti jako definitivní hranice není ani vědecká. Je tu totiž tzv. demarkační kritérium Karla Poppera, které říká, že co nelze falsifikovat, tedy překonat alespoň částečnou negací, co se má za zcela definitivní tvrzení, není ani vědecké tvrzení. Tedy to je také nesprávné tvrzení. (P.S.: Nenechte se zblbnout módním tvrzením, že ve kvantové fyzice je všechno natolik divné, že nelze použít zdravý rozum, třeba v případě stvoření kauzality z ničeho, tedy z náhody. To je jen pravděpodobnostní výklad kvantové mechanicky logicky zmatený, tak si vymyslel tohle ne příliš vědecké klišé. Naše intuice z přirozeného světa sice má své hranice, ale ne zrovna tady.)

Když teď už tedy víme, že jsou relace neurčitosti a kvantová náhoda hranicemi, které je možné překonat, porozhlédněme se po tom, jak je překonat. Asi nejjasněji to vidíme u tzv. virtuálních částic kvantové teorie pole, které jsou jedním ze základních kamenů třeba i standardní model elementárních částic, který je experimentálně výtečně potvrzen. Virtuální částice vzniká typicky "vypůjčením" si energie z oblasti pod relacemi neurčitostmi. Někteří to chápou jako stvoření energie z ničeho, a aby tenhle nesmysl porušení zákona zachování energie nebil tak do očí, upozorňují na to, že se tak děje na velmi krátkou dobu, právě omezenou relací neurčitosti. Relace neurčitosti se totiž v tomto případě opírá právě o součin energie a času, tedy čím více energie si částice "vypůjčí", tím rychleji ji musí vrátit.

Už jste si někdy vypůjčili peníze? A povedlo se vám to někdy tak, že vám přitom tu půjčku poskytl nikdo, žádná instituce? Těžko, viďte. A tak prostá je situace i s virtuálními částicemi, Jestliže se jim dostalo při vzniku energie, nebylo zdrojem této energie nic, ale něco konkrétního materiálního, co je za hranicemi relací neurčitosti. Můžeme si představit hypotézu, že to něco je tzv. pilotní vlna (de Broglie, Bohm, Bell). Je to vlna, tedy zřejmě jakási forma vlnící se "supratekutiny", ve které "plavou" všechny částice, celý vesmír. Možná je to sám prostoročas. Jeho struktura je zřejmě tak jemná, jak navrhuje smyčková kvantová gravitace, že její kvanta, prostoročasové "atomy", jsou hluboko pod úrovní relací neurčitosti. A tyto prostoročasové "atomy" tvoří onu "supratekutinu", podobně jako molekuly vody tvoří vodu. Tato "supratekutina" je rozechvívána částicemi podobně, jako je voda rozvlněna, když do ní hodíte kousek dřeva. A takové vlny pochopitelně ovlivňují pohyb částice (dřívka) na její "hladině", prostoru coby vlny v důsledku velkého třesku. Podrobnosti této představy jsou jen hypotetické a vágní, ale její základ je dost přesvědčivý a logický.

Je-li tomu tak, že toto vlnění v prostoročase nebo snad přímo prostoročasu je tím vlivem ze "záhrobí" relací neurčitosti, máme náhle velmi jednoduše vysvětleno, proč se částice někdy chovají jako částice a někdy jako vlny. Prostě proto, že tam jsou částice i vlny. Jak prosté, milý Watsone. :-) Ale pak všude, kde se projevují vlnové vlastnosti, je to projev struktury pod úrovní Heisenbergových relací neurčitosti. A kde takové chování vidíme? Je to třeba u tzv. dvojštěrbinového experimentu, kde se projevuje vlnová interference, tedy skládání a vzájemné rušení vln. Je to u supratekutosti, kdy kapalina této vlastnosti má pouze jednu tzv. vlnovou funkci a všechny atomy či molekuly tak plavou na jedné pilotní vlně sladěně (koherentně), této vlně se poddávají, nenarušují ji. Je to zřejmě i všude tam, kde se projevuje kvantová provázanost, což je zřejmě přenos informace touto "pilotní vlnou", která je rychlejší než světlo. (Připomeňme si Einsteinovu analýzu z roku 1935, že jestliže kvantová provázanost skutečně existuje, pak musí být pravděpodobnostní kvantová mechanika neúplná viz text Měl Einstein pravdu, že je kvantová mechanika špatně?) 

Je to též u kvantových počítačů, která tuto provázanost a pilotní vlnu používají a silným chlazení se snaží eliminovat kmitání částic (atomů), které tuto vlnu narušují. Je to též u tzv. kvantových teček, jejichž podstatou, stejně jako podstatou supravodivosti a supratekutosti, jsou Einsten-Boseho kondenzáty, tedy sladěné (koherentní) stavy bosonů, což je i případ laseru. Nenarušování této vlny se zajistí buď extrémním zchlazením nebo extrémním tlakem (viz supravodivost a supratekutost), nebo výběrem prostředí, které s částicí nesenou pilotní vlnou prakticky nereaguje a tím nenarušuje ani vlnu (třeba světlo a laser ve vzduchu).

Chcete-li překonat velmi populární klišé kvantové mechaniky s náhodou a neurčitostí, zkuste si přečíst blog Nevědecké pohádky moderní vědy III - "náboženství" Schrödingerovy kočky. Jestli vás zajímá "mechanismu" interakce částic a pilotní vlny, můžete si jeho metaforu prohlédnout na následujícím videu.