Můžeme se stát "mlhou"? A budeme v budoucnu procházet zdí?

Jeden blog "Je to, že se dotýkáme okolním předmětů, jen zdání?" byl o tom, že dotyk je na mikroúrovni něco velmi odlišného od toho, jak kontakt třeba naší ruky s nějakým předmětem vnímáme v našem obvyklém makrosvětě. Dnes se.....

Dnes se pokusíme vymyslet, jak to na mikroúrovni zařídit, aby byly pro nás pevné objekty prostupné podobně jako třeba mlha. Pro elementární částice to ostatně není až tak velký problém. Třeba taková neutrina procházejí celou zeměkoulí úplně bez problémů, jako by Země byla méně než vzduch. To je způsobeno tím, že běžná hmota složená z atomů je kombinací neuvěřitelně kompaktních atomových jader a obrovského prázdného prostoru mezi jádry nebo mezi nimi a "jejich" elektrony.

Ale i méně zvláštní a "neuchopitelné" částice než jsou neutrina, mohou "procházet zdí". Tedy vlastně každá částice může procházet potenciálovou bariérou ("zdí"), která je vyšší než energie částice, tedy vyšší než jakou by mohla částice s danou energií "přeskočit", překonat. Tomu se v kvantové mechanice říká tunelový jev (stručný popis tohoto jevu je třeba na Wiki), neboť tunelování není přeskočení překážky, ale průchod skrze ní. Tunelový efekt v případě elektronů můžete vidět na obrázku dole. Pozorně se dívejte na pravou stranu od bariéry. Je tam vidět, že přece jen některé elektrony "stěnou" prošly.

Jestli se vám výše uvedený obrázek nehýbe, klidněte na něj nebo klikněte sem, abyste viděli pohyblivou verzi.

Elektrony tunelují s určitou pravděpodobností. Tato pravděpodobnost je ale v případě tak velkého makroobjektu jako je člověk, opravdu mizivá, ale překvapivě není nulová. Mohli bychom narážet milióny let do zdi, a stejně bychom jí neprošli, nicméně se zdá, že extrémně výjimečně bychom projít mohli. V zásadě může tunelovat cokoliv, třeba atom, a v jeho případě čím více má nukleonů v jádře a elektronů ve svých elektronových "obalech", tím je pravděpodobnost tunelování menší. Velmi zhruba řečeno, čím více fermionů (o tom, co je to fermion viz níže) objekt má, tím je nižší pravděpodobnost tunelování. A také čím pevnější překážka, tedy vyšší potenciál bariéry, tím nižší pravděpodobnost průchodu.

Základ problému je hlavně v tom, že atomy pevných objektů mají ve slupkách elektrony a tyto elektrony se vzájemně zejména kvantově (nejen elektricky) odpuzují, takže nemohou být na stejném místě. To popisuje tzv. Pauliho vylučovací princip, který se opírá o to, že elektrony jsou fermiony, tedy částice s poločíselným spinem ("rotací"). (Vzpomínám si, jak jsem byl z tohoto principu vykulenej, když jsem ve 13 letech chodil na přednášky kvantové chemie na universitě. A už tam mi tenkrát vysvětlili, že je to ještě o něco složitější a že elektrony mají 4 kvantová čísla a na jednom místě nemohou být dva se všemi čtyřmi kvantovými čísly stejnými.) Fermiony se prostě odpuzují a nemohou být tedy dva na jednom místě. Kdybychom ale elektrony mohli nějak změnit na neodpuzující se bosony, tedy částice s celočíselným spinem, bylo by vyhráno. Ty by mohly být na jednom místě. Jako analogii pro vysvětlení bosonových vlastností můžeme použít třeba vlny na vodě. Těch vln může být také mnoho na jednom místě, volně se prostupují a neodpuzují se. Takže kdyby překážka, bariéra byla z bosonů nebo objekt, který má překážkou projít, nebylo by prolínání objektů zcela neřešitelný problém. :-)

Kouzlo je v tom, že je v podstatě možné spojit dva či sudý počet kvantově se odpuzujících fermionů a udělat z nich jeden boson (což ale neplatí vždy). A už se dá procházet zdí, že? :-) Tohle ale zaprvé určitě nebude technologicky vůbec jednoduché. Možná to bude stejně obtížné jako realizovat teleportaci člověka, o které jsme pojednali v blogu Jak nezabít člověka při teleportaci. Ale při procházení zdí za pomoci "bosonizace" fermionů je jeden zásadní problém. Kvantové odpuzování fermionů je základ pevnosti objektů složených z atomů. Kdybychom je tedy "bosonizovali", ztratily by pevnost a zhroutily by se. Vůbec bych to tedy nezkoušel u člověka, protože člověk "v podobě mlhy" by asi nepřežil. :-) A také by se "bosonizace" nepovedla proto, že některé fermiony v různých bosonech by měly všechny kvantové vlastnosti stejné, tedy by na ně platil zpětně Pauliho vylučovací princip. Proto by se tedy dva různé bosony na jednom místě jako bosony nechovaly, a mohly by se přesto, že jsou bosony, fermionově odpuzovat. (Mimochodem, Pauli (na obrázku), dostal za svůj vylučovací princip v roce 1945 Nobelovu cenu.)

Proto bych doporučoval na procházení zdí přece jen teleportaci lidského těla skrz, a to raději tak, že bychom nejdříve vytvořili kopii našeho těla za překážkou a pak teprve bezbolestně zničit originál. Takováto operace ale zase s sebou nese otázku, bude-li ta kopie za stěnou ještě naše já nebo ne, jak jsem o tom přemítali právě v blogu v blogu Jak nezabít člověka při teleportaci. 

Ale oba blogy, tento i ten o teleportaci, pokud jde o makroobjekty, jsou zatím opravdu jen sci-fi. :-(