Mikrosvět 3 / 4 - Fotony a vlnová povaha částic

Od dob Newtona vedli fyzici spory o podstatě světla a barvy. Problém byl natolik těžce uchopitelný, že se téměř každý cítil povolán k vyjádření názoru. Tam kde fyzici tápali, jiní měli jasno. K barvě se vyjádřil i J.W.Goethe.

Minulý díl "Do nitra atomu": zde

Fotony

Od dob Newtona vedli fyzici spory o podstatě světla a barvy. Problém byl natolik těžce uchopitelný, že se téměř každý cítil povolán k vyjádření názoru. Tam kde fyzici tápali, jiní měli jasno. K barvě se vyjádřil i J. W. von Goethe. Nakonec však přece jen vykrystalizovaly dva hlavní proudy s fyzikální podstatou. Jedni propagovali tzv. korpuskulární teorii, tedy teorii, že světlo je proud částic. Druzí měli za to, že se jedná o vlnění.

Na tehdejší úrovni poznání se nedalo rozlišit, který přístup je správný. Byla to opravdu zvláštní situace, protože indicie byly v obou táborech stejně závažné. Nakonec zvítězil Huygensův vlnový přístup. Světlo se stalo oficiálně vlněním, ačkoli nebylo jasné, jaké médium se vlastně vlní. Mělo mít neuvěřitelné vlastnosti. Muselo být velice tuhé, zároveň však dostatečně řídké, aby nebrzdilo pohyb vesmírných těles. Dostalo pracovní název éter.

V polovině devatenáctého století podal James C. Maxwell vysvětlení, že se jedná o elektromagnetické

vlnění. Od těch dob nebyl s pochopením světla nejmenší problém. Až do chvíle, kdy se ukázalo, že se světelná energie předává po kvantech. Je možné si představit energetické kvantum jako vlnu? Kvantum mnohem lépe odpovídá představě částice. Jakési kuličky, která letí od zdroje k cíli. Tato částice dostala jméno foton.

Tak se fyzika oklikou vrátila k částicové teorii světla. Kvanta energie najednou dokázala vysvětlit vše, kde vlnový přístup selhával. Elektron, díky kvantování energie, může zaujímat pouze některé energetické hladiny. Pokud na něj dopadne foton s energií rovnou rozdílu energií mezi dvěma drahami, pak tuto energii absorbuje a přeskočí na vyšší hladinu. Při přeskoku na nižší hladinu naopak tuto energii vyzáří. Protože má každý prvek charakteristické vzdálenosti mezi hladinami, jsou i vyzářené (emitované) nebo pohlcené (absorbované) fotony pro tento prvek charakteristické. Spektrum světla procházejícího prvkem je právě v těchto barvách posílené (emisní spektrum) nebo obsahuje černé pruhy (absorpční spektrum). Tohoto jevu se využívá ve spektroskopii, ke snadnému rozpoznání přítomnosti toho kterého prvku. Protože charakteristické přeskoky mohou být i na molekulární úrovni, dokáže spektroskopie odhalit i přítomnosti některých molekul.

Fyzici měli také v živé paměti úspěchy vlnové teorie vysvětlující úkazy, které korpuskulární teorie vysvětlit nemohla. A tak vznikaly pokusy o vlnový přístup. Průkopníkem se stal známý rakouský fyzik E.Schroedinger.Přes veškeré úspěchy kvantového přístupu dělaly fyzikům přeskoky elektronů z hladiny na hladinu vrásky. Nic nevypovídalo o tom, jak se takový přeskok děje, jak dlouho trvá a jak je možné, že se mohou z hladiny na hladinu dostat, když je pás mezi nimi pro elektrony zapovězen kvantovou podmínkou.

Změny o celistvý násobek nějaké hodnoty nejsou fyzice úplně neznámé. Vezměme například strunu, na které můžeme zahrát pouze tóny o takových vlnových délkách, které se na ni celistvě vejdou. Pokud struna přejde z jednoho tónu na druhý, tak také skokem. E.Schroedinger ukázal, že kvantové podmínky na vzdálenosti orbitalů odpovídají situaci, kdy bychom na oběžnou dráhu namodulovali celistvé násobky vlnových délek.

Časem se ukázalo, že je tento přístup stejně zoufalý jako každý jiný a že se (slovy samotného Schroedingera) "těch zatracených přeskoků stejně nezbavíme." (Poté pomyslně praštil dveřmi a začal se věnovat studiu cizích jazyků.) Nicméně po důkladné analýze použitého matematického aparátu bylo konstatováno, že získáme stejné výsledky, jako přináší částicový přístup. Nepřehlédnutelným bonusem zůstalo, že práce s vlněním byla fyziky už dávno formálně zvládnuta a lépe se jim pracovalo.

Na foton tedy můžeme pohlížet jako na částici i jako na vlnu. Ten či onen pohled použijeme podle toho, jaký jev hodláme studovat. Protože oba přístupy dávají stejné výsledky, nelze rozhodnout, který je správnější.

Nemohli bychom si foton představit jako malou částečku, která se z dálky jeví jako kulička, ale uvnitř je to vlnění? Je to představa jednoduchá, názorná a v populárních knihách často používaná. Ale i takový přístup má svá úskalí. Snad nám nebude nedělat problém, když půjde o viditelné světlo s charakteristickým rozměrem vlny v řádu zlomků mikrometru. Ale jak si představit foton odpovídající dvacetimetrové rádiové vlně? Z této úvahy je patrné, že mikrosvět si můžeme přibližovat v mnoha podobenstvích, ale každé přirovnání k našemu světu někde narazí.

Vlnově-částicový dualismus

Opět jsme se dotkli unikátní vlastnosti mikrosvěta, pro kterou v našem světě těžko hledáme příměr. Ve světě velkých měřítek dobře známe pojmy vlna a těleso, jejich chování dokážeme přesně matematicky popsat, ale ostře mezi nimi rozlišujeme. Co platí pro vlny, neplatí pro hmotná tělesa a naopak. V mikrosvětě tyto pojmy splývají a vlnový i částicový popis dávají stejné měřitelné výsledky. Tato vlastnost mikrosvěta se nazývá vlnově-částicový dualismus.

Světlo máme podvědomě pevně spjaté s vlněním a nyní je tu důkaz, že se nejen chová jako částice, ale že dokonce nedokážeme rozlišit, zda se jedná o částici, nebo vlnu. Je možné, že by se naopak mohly částice svázané s hmotou chovat jako vlny?

Tak uvažoval ve dvacátých letech princ Luis de Broglie. Jím navrhované experimenty se týkaly elektronu, ale později se tento přístup rozšířil na všechny částice. Energie částice je dána Einsteinovým vztahem: 

E = m c^2

energie vlny: 

E = h f

(Veličina h se nazývá Planckova konstanta a má hodnotu v řádu 10^-34 Js) Jestliže má být částice vlnou i částicí zároveň, tyto energie se musí rovnat a dostáváme jednoduchý vztah pro frekvenci: 

f = m c^2 / h

To je cosi, co jsme očekávali. Frekvence je přímo úměrná hmotnosti. Čím těžší částice, tím vyšší frekvence. Jinými slovy, těžká částice bude mít kratší vlnovou délku než lehká.

Prokázat vlnu je principiálně jednoduché. Stačí nechat ji dopadat na mřížku a zjistit, zda dojde k ohybu vlny a interferenčním jevům. Bohužel v případě elektronů, které byly tou dobou nejlehčí známé částice, vycházela jejich vlnová délka velice krátká. Ani dnes by nebylo jednoduché vyrobit tak jemnou mřížku. Naštěstí příroda takovou mřížku sama nabízí - je tvořena pravidelně rozestoupenými atomy v krystalech.

Pak již nebylo obtížné uspořádat experiment. Proud elektronů vyslaný proti tenké kovové fólii začal opravdu vykazovat vlnovou povahu. Na stínítku za fólií se začal vykreslovat interferenční obrazec.

Od tohoto experimentu byla přijata myšlenka kvantového dualismu jako obecné zákonitosti mikrosvěta. Nejpodivnější je právě nerozlišitelnost vlny a částice. Zároveň nedokážeme připravit experiment, ve kterém bychom naměřili vlnu i částici zároveň. Pokud budeme měřit vlnovou podstatu, nedozvíme se nic o poloze částice. Pokud se zaměříme na sledování polohy, ovlivníme měření natolik, že se ztratí vlnová povaha. Tento jev se nazývá kolaps vlnové funkce.

Pokud nejsme schopni změřit vlnu i částici naráz, má pojem vlnově-částicový dualismus vůbec smysl? Když je výsledek experimentu ovlivněn měřením, neměříme vlastně jen samo měření? Nezbývá než přijmout, že je to opravdu tak. V mikrosvětě se experimentátor stává součástí měřeného systému. Pojem dualismus je však v pořádku, bez něj bychom nevysvětlili výsledky různých experimentů.

Interference na vodní hladině je plně mechanickou záležitostí. Stejný princip však platí pro libovolné vlnění, ať už se jedná třeba o zvuk nebo světlo. Interferovat může díky své vlnové povaze dokonce i hmota.

Závěrečný díl "Je svět poznatelný?": zde