Tajemný neviditelný svět za Schrödingerovou kočkou 1

To je název přednášky, kterou budu mít v květnu v Polsku. Tady udělám malou sérii blogů, kde budu postupně uvádět jednotlivé argumenty z přednášky. A ano, nejdříve to bude o kvantové mechanice. :)

Schrödingerovu kočku lidé milují pro její zajímavost a tajemnost. Lidé vůbec takové nepochopitelné zvláštnosti milují. Její autor by se ale trochu podivil, jak jeho myšlenku široké publikum chápe. Ale nejdříve si vysvětleme její podstatu:

Na obrázku níže vidíme celou situaci. Kočku zavřeme spolu s radioaktivním zářičem do krabice. U radioaktivního zářiče je tak citlivé čidlo záření, že stačí jedna částice radioaktivity, aby bylo aktivováno. Jakmile je ale aktivováno, uvolní kladívko, které rozbije skleničku s cyankáli, a to kočku zabije.

Problém tady je, že známe pouze pravděpodobnost rozpadu radioaktivního atomové jádro v zářiči, neznáme okamžik, kdy se první atom rozpadl. Nemůžeme tedy vědět, jestli se už rozpadlo nebo ne a v důsledku toho jestli je kočka živá nebo mrtvá. A na základě toho si někteří myslí, že je kočka současně živá i mrtvá, čemuž se říká kvantová superpozice.

Schrodingerova kočka (obrázek je majetkem JF, autorem obrázku je Tomáš Flipper Zikmund)

Jaký se základ této metafory s kočkou? Kvantová mechanika ve svém vývoji dospěla ke správnému názoru, že v současnosti s našimi technologiemi nejsme schopni zjistit více než pravděpodobnosti chování a stavu částic, třeba právě jako jen pravděpodobnost, jestli radioaktivní zářič vyslal částici. Z tohoto faktu vznikla představa kvantové superpozice stavů, což je pravděpodobnost, třeba u oné kočky, že zářič už částici záření vyslal. Tato pravděpodobnost je vědecký fakt.

Ovšem je dost potíž s výkladem oné pravděpodobnosti. Jsou v podstatě dvě možnosti, když, řekněme, máme 50%ní pravděpodobnost, že se radioaktivní atom už rozpadl, a stejnou pravděpodobnost, že ne. První z výkladů je ona fascinující živo-mrtvá kočka, jako důsledek toho, že se atom údajně současně rozpadl a nerozpadl. Druhý výklad je, že prostě jen nevíme, jestli se atom rozpadl nebo ne a tedy ani nevíme, jestli je kočka mrtvá nebo živá.

Jedna částice projde přepážkou některou ze dvou štěrbin (Wiki free picture)

Co vůbec mluví ve prospěch možnosti, že je kočka současně mrtvá i živá? Nejlépe to jde ukázat na tzv. dvojštěrbinovém experimentu, kde jediná částice má před sebou dva otvory v přepážce a nějak se dostane na druhou stranu (viz obrázek výše). Pravděpodobnost, že osamocená částice projde levou štěrbinou, je 50%, a 50% je také pravděpodobnost, že projde štěrbinou pravou. Na stínítku za dvojštěrbinou by měly být dvě koncentrované oblasti dopadu částic odpovídající dvěma štěrbinám, když částice posíláme sice po jedné, ale pořád dokola. Takový vzor s dvěma pruhy vytváří třeba vystřelené kulky, tedy vlastně něco s vlastnostmi částice.

Problém je ale v tom, že za touto štěrbinou v případě elektronu nebo jiné elementární částice dochází k tzv. interferenci (viz obrázek níže), i pokud je vysíláme po jedné. Tedy rozložení dopadu částic vypadá jinak než na obrázku nahoře. Dochází tu k něčemu, co známe jen z chování vln. A k takovému vlnovému skládání je přitom nutné, aby vlna prošla oběma štěrbinami. (Můžeme si to klidně vyzkoušet na vodní hladině.) My však tady žádnou vlnu nevidíme, vidíme jen jedinou částici.

Na stínítku vznikle vzor ze skládání vln, jestli „střílíme“ na dvojštěrbinu elektronu, foton nebo jiné částice, ale po jedné (Wiki free picture)

Protože je jisté, že něco muselo projít oběma štěrbinami, některé napadlo, že je to ona částice, co projde oběma štěrbinami najednou a navíc se tato částice chová i vlnově. Ono rozdvojení je to, z čeho si Schrödinger dělal legraci svou kočkou. Tedy ne z toho vlnového chování, to je evidentní a jisté. Jako kdyby v krabici byly dvě kočky, jedna živá a jedna mrtvá. U té kočky by to bylo sice stěží, ale možná trochu snesitelné, protože by tam mohla být jen jedna kočka ve dvojitém stavu. I když i tomu se rozum vzpírá. Obvykle když existuje současně mrtvá a živá kočka, jsou to kočky dvě, ne jedna.

Ovšem neřešitelný problém to je u oné dvojštěrbiny. Ona totiž superpozice se může týkat různých vlastností. U S-kočky je to její stav, ale u částice na dvojštěrbině je to její poloha. A pokud něco prošlo oběma štěrbinami, což je tu zcela nezbytné, musela by se ona částice rozdvojit. Mohli bychom spekulovat třeba, že se částice rozdělila na několik virtuálních částic, které prošly oběma štěrbinami, ale k tomu tu není žádný fyzikální důvod. Takže někteří předpokládají, že z jednoho elektronu se stanou dva a každý projde jednou štěrbinou.

Jenže ani pro takové zdvojení není žádný fyzikální důvod, navíc to porušuje zákony zachování hmotnosti a energie a dalo by se takto vytvořit perpetuum mobile. :) Navíc toto zdvojení by šlo experimentálně zjistit, třeba tak, že u elektronu by byly najednou dva náboje a dvě hmotnosti na různých místech. Ale i prostá úvaha tady úplně postačuje, aby bylo jasné, že k žádnému rozdvojení zde nedochází. Vlnová funkce pro částici na dvojštěrbině totiž nedává jen dvě možnosti polohy, ale nekonečně mnoho možností, které jsou spojitě rozloženy. To by znamenalo, že třeba elektron vytvoří nekonečně kopií sebe sama, tedy i nekonečnou hmotnost. A to vyrobí černou díru, která, přehnaně řečeno, „spolkne“ Zemi. A protože nic takového nepozorujeme, je jasné, že superpozici polohy nelze vykládat jako několik poloh jedné částice současně.

Einstein měl pravdu diskusi s Bohrem, že klasický výklad kvantové mechaniky není úplný (Pixabay free picture)

Jaká možnost nám tedy zbývá? Když je jasné, že částice ani kočka nemůže být ve dvou nebo více stavech najednou, musíme hledat něco jiného, co prošlo oběma štěrbinami najednou. A evidentně to musí být vlnové a nesmí to být vidět. Na scénu vstupují tedy ony vysmívané skryté proměnné, nebo spíše skrytá vlnová entita. Ostatně její existence byla už experimentálně dokázána. Říká se jí kvantová provázanost. Něco skrytého propojuje chování dvou nebo více částic. A kdybychom chtěli na vlastní oči tento tajemný svět za Schrödingerovou kočkou, toto skryté médium vidět, podívejme se, jak se chová suprakapalina. Tedy to, na co v tomto případě koukáme, není přímo ono skryté médium, ale jen to, jak toto skryté médium ovlivňuje chování kapalného vodíku, hélia nebo jiného prvku. Vidíme vlastnosti skrytého světa přenesené na kapalinu.

Poznámka nakonec: Je tedy zřejmé, že klasický výklad kvantové mechaniky je neúplný, jak tvrdil Einstein už ve dvacátých letech. Ba dokonce Bohrovo a Heisenbergovo tvrzení, že nelze svět popsat úplněji, je dokonce nevědecké. To lze usoudit už z toho, že i jejich výklad nutně vyžaduje „skryté proměnné“, konkrétně kvantovou superpozici. A podle nich je tato superpozice nepozorovatelná: když krabici s S-kočkou otevřete, nikdy nevidíte superpozici živá-mrtvá. A takováto představa principiálně nepozorovatelné reálné entity je v empirické vědě nevědecká. Bohr s Heisenbergem mají na jedné straně nehynoucí zásluhy o rozvoj kvantové mechaniky, na druhé straně ale zavedli do fyziky i pavědeckou esoteriku. :)

Mimochodem, to, že současná kvantová mechanika není úplná si myslel Schrödinger, Einstein, Dirac, de Broglie, Bohm, Everett, Bell (dokázal kvantovou provázanost) a další.