Jak se loví kvantové příšerky a proč už jich více nebude 2

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

jak jsem slíbil, pokračujeme v historii honu na kvantové příšerky. Po tom, co vědci objevili elektron, proton a neutron byly na řadě kvarky. Ale to bych trochu předbíhal, protože v našem výčtu jsme zapomněli na foton. Fotonu konec konec konců vděčíme za to, že vznikla kvantová fyzika, právě při objasňování záření černého tělesa se poprvé použilo kvantování a které bylo potvrzeno při vysvětlení fotoelektrického jevu.

Foton

O tom, že světlo jsou částice, měli lidé představu už delší dobu. I když pro to neměli v ruce žádné důkazy a třeba věhlasný filozof René Descartes už v roce 1637 přišel s myšlenkou, že světlo je vlna, nebylo to akceptováno a vědci se drželi představy, že světlo jsou částice. Vědci jako Robert Hooke, Christian Huygens poukazovali už koncem 17. století, že částicová teorie nemůže vysvětlit jevy jako je lom světla a jeho difrakce, ale možná i vlivem Isaaca Newtona, který fandil částicové teorii trvalo až do roku 1850, než byla přijata teorie o vlnové podstatě sěvtla, hlavně díky pracím Roberta Younga a Augusta Fresnela. Když James Clerk Maswell předpověděl, že světlo je elektromagnetické vlnění a Heinrich Herz v roce 1888 objevil právě radiové vlny, zdála se teorie o částicové podobě světla definitivně překonána-

Jenomže zároveň s tím se fyzikové zabýval takovými věcmi, jako je teplotní záření černého tělesa. Možná se zeptáš, proč právě černého, ale v černé jsou obsaženy všechny barvy dohromady, jak viditelné, tak pro lidské oko neviditelné, třeba infračervená, ultrafialová, ale taky i gama paprsky, postě všechny vlnové délky. Je to koncept, který vystihuje paradox: Kdyby bylo možno vyzařovat energii opravdu na všech frekvencích od nula do nekonečna, takové těleso by potom logicky vyzařovalo nekonečné množství energie. A víš, Time, co jsem už dříve říkal o nekonečnech, jak se začnou plést do fyziky, je to znamení, že tomu zase až tak úplně nerozumíme.

Kvantování

Od roku 1860, kdy ho zformuloval německý fyzik Gustav R. Kirchhoff, mátl tento paradox fyzikům hlavy. Ultrafialovou katastrofu, jak nekončenému záření černého tělesa později fyzikové říkali, vysvětlil německý Max Planck až v roce 1900. Ten zavedl předpoklad, že energie nemůže být vyzařována neomezeně, ale poprvé použil výraz kvantově, po určitých kvantech, které odpovídají násobku frekvence záření (celé číslo, 1,2,3, až n) a  po jím objevené a po něm pojmenované Planckovi konstanty. Tato konstanta se označuje jako a udává poměr mezi energií fotonu a jeho vlnovou délkou. Je tak nesmírně malá, že si to ani nedokážeš představit a časem se stala měřítkem pro vyjadřování takových věcí, jako je Planckova délka, nebo Planckův čas a podobně. To proto, že fyzikové se domnívají, že ani čas, ani prostor nemůžeš sekat pořád na menší a menší kousky, zarazíš se právě na Planckově velikosti.

Ale to jsem trochu  odbočil, teprve teď se dostáváme k tomu nejzajímavějšímu, k fotoelektrickému jevu, respektive tomu, jak je objasnil Albert Einstein. Jde o to, že když posvítíš na určitou látku, způsobíš tím vznik elektrického proudu. Na tom fungují tře solární panely, co máme na střeše. Původně se vědci domnívali, že když je světlo vlnění, tak čím více světla, tím větší proud. Něco jako čím větší vlny, tím více písku moře z pláže odnese. Ale tak to nefungovalo. Na uvolnění elektronu působením světla je potřeba nějaká energie. Ale ta energie není spojitá. Je kvantovaná. Představ si to, že bys co nejvíce tenisáků přepinknout přes síť. Když do něj dáš malou ránu, nepřeskočí síť. Od určité síly přeletí na druhou stranu, ale ať přidáváš sílu sebevíce, pořád to jde tenisák po tenisáku. Když chceš více tenisáků, musíš dát více ran, ne více síly do jednotlivé rány. Tak nějak to funguje s kvantováním světla. Předtím si věci představovali, že existuje něco neznámého, co dovoluje hmotě přijímat pouze určitá kvanta energie, Einstein tvrdil, že toto kvantování je naopak právě vlastností elektrického vlnění. Představil si částici, bez rozměrný bod, kvantum světla.

Ale na experimentální potvrzení, že světlo je opravdu mimo jiné i částicové povahy jsme museli počkat do roku 1922. Americký fyzik Arthur H. Compton objevil, že dojde ke změně frekvence při srážce fotonu s elektronem. Pokud bereme foton jako částici s určitou hybností, při srážce s elektronem se část hybnosti přenese z fotonu na elektron a my tak můžeme pozorovat výslednou nižší frekvenci a tím i nižší energii fotonu.

Takže bylo vše připraveno a čekalo se, až někdo vymyslí pro kvantový elementární nosič elektromagnetického záření nějaké pěkné obchodní jméno. S tím přišel v roce 1926 fyzik Gilbert N. Lewis, dal mu jméno foton, z řeckého phos - světlo a klasickou příponu on už znáš.

Tak až jsem mne zavedla původně krátká odbočka na téma foton, příště už vážně budou kvarky a jejich generace a vše s tím spojené, ale na to si musíš týden počkat. Na závěr kontrolní otázka - když foton má spin 1, o jakou částici se jedná?