Proč se kvantová mechanika týká především makrosvěta

Slyšeli jste asi miliónkrát, že kvantová mechanika je fyzikou mikrosvěta. Mnoho jejích efektů je ale  překvapivě makroskopických. A nemusí to být zrovna Schrödingerova kočka, která úmyslně převádí mikroproces na makro-efekt.

Schrödingerovu kočku vymyslel nositel Nobelovy ceny Erwin Schrödinger proto, aby ukázal, že představa superpozice Kodaňské interpretace kvantové mechaniky je nesmyslná, a potažmo, že celá tato pozitivistická interpretace je logicky nesprávná. Zábavné je, že se nesmyslná představa superpozice této kočky, kdy je kočka zároveň mrtvá i živá, dokud ji někdo nepozoruje, se naopak stala vývěsním štítem tajemnosti kvantové mechaniky, alespoň v očích veřejnosti. Každého z nás totiž přitahují logicky nemožné paradoxy, které nechápeme. Vyplývá to z tzv. teorie neschopnosti. Nepochopení nás nutí i nonsens, jako je právě tato kočka, obracet v hlavě neustále dokola, přestože bychom jej měli prostě odmítnout. :-)

Pan Schrödinger u své kočky využil faktu, že kvantové efekty obvykle směrem k makroúrovni postupně slábnou až vymizí a vytvořil představu kauzálního řetězce, kde jedna mikročástice přenese své kvantové vlastnosti na makroobjekt, kočku, kde by se už kvantová mechanika neměla projevovat. Podle některých je tato kočka skutečně současně mrtvá i živá. Kdyby tomu tak ale bylo, nebyla by kvantová mechanika především záležitostí mikrosvěta, neboť kvantový by mohl být každý makroobjekt, který nepozorujeme.

Kvantová mechanika není nikdy omezena na mikrosvět. Stačí uvážit vlnovou funkci opět pana Schrödingera. Ta určuje pravděpodobnost, kde se částice vyskytuje, a pro každou částici se rozprostírá v prostoru prakticky do nekonečna. Není to tedy žádné mikro, ale makro. Dá se namítnout, že vlnová funkce jedné částice má nejvýznamnější oblast poměrně malou, a dále je její vlnová funkce rušena spoustou dalších vlnových funkcí. To je ale jen praktický argument, který nepopírá fakt principiálně obrovského rozměru vlnové funkce každé částice.

Chceme-li ale hodně praktický protiargument proti mikro-charakteru této teorie, stačí se podívat na prostorové rozměry další ikony kvantové mechaniky, tzv. dvojštěrbinového experimentu (viz velmi názorné video s českými titulky níže). V něm je podle Richarda Feynmana soustředěna podivnost kvantové mechaniky nejvíce.

Jenže tento experiment nemá žádné mikrorozměry, ale je patrný prostým okem. Můžete si jej realizovat klidně sami doma a uvidíte, že není problém, aby měla významná část vlnové funkce rozměry decimetrů (viz další video níže). Částice je tedy sice opravdu nepatrná, ale podstata kvantové mechaniky, vlnová funkce, není. Nebýt totiž této funkce, nebyla by žádná tajemná kvantová mechanika, ale mikročástice by byly jen kuličky, které by se chovaly velmi podobně jako velké koule, jen by byly podstatně menší.

Lze možná namítnout, že vlnová funkce není reálný fyzikální objekt, ale pouze funkce určující pravděpodobnost výskytu částice. Ale když vidíme, jaký má tato funkce reálný vliv na chování reálné částice třeba právě ve výše popsaném experimentu, nelze ani na vteřinu pochybovat, že se za ní přinejmenším skrývá něco reálného. Matematická funkce jako abstrakce totiž nemůže ovlivnit nic reálného. Vlnová funkce nicméně popisuje to reálné, co ovlivňuje částici. Tím reálným je zřejmě de Broglieho pilotní vlna, kterou si můžeme představit v metafoře jako vlnu  na vodě, na níž poskakuje částice. Tuto reálnou vlnu popisuje Schrödingerova vlnová rovnice popisuje jen deformovaně a nepřímo (viz podrobnější výklad v blogu Naučte svého psa kvantovou mechaniku).

A kdyby nám decimetry jako důkaz makrorozměrů kvantové mechaniky nestačily, což takhle tisíc kilometrů? V roce 2017 se Číňanům podařilo teleportovat vlastnosti kvantové částice ze Země na oběžnou dráhu, viz třeba článek Teleport na oběžnou dráhu. Vědcům se poprvé podařilo přenést data z povrchu Země. Vlnová funkce dvou kvantově provázaných částic měla v tomto případě významné rozměry od 500 do 1400 km. Konkrétní hodnota záležela na poloze družice.

No, a další přímo "hmatatelný" projev kvantových vlastností jsou například supratekutost (stav kapaliny, kdy je její viskozita nulová, a proto teče až neuvěřitelně snadno)  či supravodivost (stav materiálu, kdy je jeho elektrický odpor nulový), jejichž "rozměry" jsou makroskopické. Běžně se v laboratořích s nimi pracuje při rozměrech obvyklého lidského světa (viz videa níže).

Video ilustrující kvantovou supratekutost, tedy sladění (koherenci) vlnových funkcí obrovského množství atomů, můžete vidět výše. Supravodivost přibližuje zase video níže.

Skoro to nakonec vypadá, že podstata kvantové mechaniky, vlnová funkce, je záležitost makrorozměrů, ale ač velká, je tak slabá, že obvykle významně ovlivňuje především nepatrné mikročástice.

P.S.: Teď mi došlo, že dalším makroprojevem kvantové mechaniky jsou spektrální čáry třeba hvězd. Tam jsou jasně vidět diskrétní čáry, které odpovídají diskrétním kvantovým skokům v elektronových  obalech, viz obrázek níže.