Naučte svého psa kvantovou mechaniku

Současná fyzika je zvláštní v tom, že někdy hledá podivné souvislosti tam, kde jsou souvislosti v principu prosté. Na jednu stranu je to logické, neboť fyzika 20. století je ve srovnání s newtonovskou fyzikou hodně zvláštní.

Proto se skutečně dají dají očekávat různé podivnosti. Na druhou stranu mezi Newtonovou fyzikou a kvantovou mechanikou a teoriemi relativity nejsou mnohdy rozdíly až tak nepřekonatelné a zásadní. To, co se na první pohled zdá velmi bizarní, se dá nejednou pochopit analogiemi v klasické fyzice. Mnohdy dokonce pochopení dávají i analogie z přirozeného světa. Je třeba známo, že základní princip obecné teorie relativity, princip ekvivalence, Einsteina napadl jako analogie člověka padajícího ve výtahu. Tento pád je totiž (téměř) totéž jako stav beztíže. Očekávat tedy, že každý nový jev bude zcela odlišný od toho, co známe je kontraproduktivní. Dokonce každý nový jev se musí v něčem a to v něčem zásadním shodovat s již poznanou fyzikou. Kdyby byl totiž absolutně odlišný, neměl by žádný informační kanál s poznanou oblastí a nikdy bychom se o něm nic nedověděli.

Ale uveďme ještě pár dalších analogií moderní fyziky se známými jevy. Další analogií, která pomůže pochopit něco podivného z obecné teorie relativity, je vodopád. Zní velice tajemně, když se z hlediska vnějšího pozorovatele zastaví čas na horizontu událostí černé díry a za ním není nic pozorovatelné. Jak funguje horizont černé díry si ale lze snadno představit na analogii vodopádu, viz video výše. Proti proudu vodopádu se snaží plavat ryba. Jestliže je od vodopádu ryba dosti daleko (viz ryba vpravo), proud není moc rychlý a ryba jej překoná. Může od vodopádu odplavat. Jestliže se ale přiblíží k vodopádu příliš, je proud rychlejší než maximální rychlost ryby a rybu to stáhne dolů (viz ryba vlevo). Hraničním případem je na videu ryba uprostřed. Plave svou maximální rychlostí, ale proud je přesně stejně rychlý a tak ryba zuřivě plave na místě a nemůže z vodopádu už nikdy uniknout.

Místo ryb si stačí představit světlo a místo vody do černé díry tekoucí prostoročas, a máme před sebou představu horizontu událostí. Vše, včetně světla, co se ocitne na či pod horizontem událostí, už černou díru nemůže nikdy opustit. (Podrobněji třeba v článku What Sonic Black Holes Say About Real Ones. Nebo ještě detailněji v bloguJe prostoročas tekutý? Aneb, jsem blázen nebo nový Einstein?)Podobných analogií by byly stovky. Uveďme si teď jednu, která metaforicky vysvětluje prakticky všechny podivnosti kvantové mechaniky a na které pochopí kvantovou mechaniku opravdu každý. Tato analogie převádí prapodivné zvláštnosti kvantové mechaniky na něco velmi pochopitelného a prostého. Stačí shlédnout níže přiložené video:

Jde o kapičky silikonového oleje, které poskakují na vibrující hladině téže kapaliny. Tyto kapičky jsou analogií elementárních částic a vlny na hladině jsou analogií pilotní vlny kvantové mechaniky. Tato pilotní vlna byla představou nositele Nobelovy ceny za dualitu vlna částic Louise de Broglieho z roku 1927, zdokonalené v roce 1952 Davidem Bohmem. Podivnou kvantovou dualitu vln a částic vysvětluje analogie se silikonovým olejem skvěle. Částice se chová jako obojí, jako vlna i jako částice, prostě proto, že tam obojí skutečně je. Částice je diskrétní, ale její pohyb je ovlivňován i spojitou vlnou. Jak prosté milý Watsone, že? :-) (Samozřejmě jde jen o metaforu a silikonové kapičky nejsou elementární částice, ale už tato zjednodušená analogie dává jasné pochopení kvantových jevů.)

Tato analogie také zcela průhledně vysvětluje záhadu dvou štěrbin, kterými prochází individuální částice, a přesto, že jde jen o jednu částici, vypadá to, že projde oběma štěrbinami současně. Výklad je prostý. Oběma štěrbinami neprojde částice, ale její pilotní vlna, kterou nevidíme, a ta interferuje, tedy se skládá podobně jako dvě vodní vlny ze dvou zdrojů, viz obrázek níže:

Evidentně se dá celkem snadno odporovat Richardovi Feynmanovi, který považoval interferenci jedné částice na dvou štěrbinách jakož i celý dvouštěrbinový experiment za nepochopitelný a nepřekonatelně tajemný. Silikonové kapičky poskakující na vibrující hladině jsou něco, co pochopí každý, a možná by to pochopil i geniální pes na obrázku níže. :-)

Připomeňme si ještě, že nositel Nobelovy ceny Ervin Schrödinger (kterého známe také díky jeho Schrödingerově kočce) formuloval svou slavnou vlnovou rovnici kvantové mechanik s úmyslem popsat pilotní vlnu Louise de Broglieho. Za  tuto rovnici pak Ervin dostal Nobelovu cenu a uznávají ji všichni vědci, neboť přesně souhlasí s experimenty. Zřejmě ale nepopsal přímo pilotní vlnu, která je pravděpodobně vícerozměrná, ale popsal pouze její pravděpodobnostní vliv na částici. Samotná pilotní vlna tak prozatím zůstala skryta za oponou, která se jmenuje kvantová náhoda. Ano, zdá se, že tato pilotní vlna jako forma implicitního řádu, jak ho nazval David Bohm, je oněmi bájnými skrytými proměnnými, které poznány v budoucnosti ukáží, že kvantová náhoda je jen naše neznalost. A ano, tato pilotní vlna splňuje i Bellovu nerovnost, neboť není lokální, neboli je zřejmě tou vlnou, která přenáší kvantovou provázanost a není proto limitována rychlostí světla.

A kdybyste chtěli ještě jednu názornou analogii, vysvětlující něco nepochopitelného, a to že rychlost světla je stejná vůči jakkoliv rychle se pohybujícímu pozorovateli, koukněte do blogu Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně... Možná, že je moderní fyzika o hodně pochopitelnější, než se mnohdy má za to.