Rok 2025 byl rokem kvantové vědy a techniky (IYQ) - neb uplynulo 100 let od jejího vzniku

Rok 2025 vyhlásila OSN za Mezinárodní rok kvantové vědy a techniky (IYQ) (neb uplynulo 100 let od vzniku kvantové mechaniky). Zahajovací ceremonie se konala v Paříži 4.-5.2.2025, a ta zavěrečná bude v ghanské Akkře teď 10. a 11.2.

Organizace spojených národů má dlouholetou tradici vyhlašování mezinárodních roků. Pro rok 2025 to byly čtyři takové akivity: Mezinárodní rok míru a důvěry, Mezinárodní rok ochrany ledovců, Mezinárodní rok družstev, a posléze Mezinárodní rok kvantové vědy a techniky (ve zkratce IYQ). Mimochodem, v roce 2029 by mělo dojít na Mezinárodní rok povědomí o asteroidech a planetarní ochraně.

Valné shromáždění OSN přijalo 7. června 2024 rezoluci ve které vyhlásilo rok 2025 Mezinárodním rokem kvantové vědy a techniky, a doporučilo aktivity zaměřené na posilování veřejného povědomí o důležitosti kvantové vědy a jejích aplikací. Zahajovací ceremonie IYQ se konala v Paříži 4. a 5. února 2025 na ústředí Organizace OSN pro vzdělávání, vědu a kulturu UNESCO. A v únoru letošního roku se bude konat závěrečná ceremonie IYQ, jmenovitě v hlavním městě Ghanské republiky Accra (česky psáno Akkra) ve dnech 10. a 11. února 2026.

Počátky kvantové mechaniky lze spatřovat už v roce 1900, kdy Max Planck dokázal odvodit spektrum záření absolutně černého tělesa teprve až když ryze spekulativně zkusil, co to udělá, když energie nebude spojitá nýbrž kvantovaná. Ač to sám nemohl vysvětlit, dostal takto souhlas s měřením, že spektrum toho černého tělesa má maximum závislé na teplotě. V roce 1918 pak dostává Nobelovu cenu za fyziku (se zdůvodněním – jako uznání služeb, které poskytl pokroku fyziky objevem kvant energie). A tímto Planckovým kvantováním energie také začíná historie kvantové mechaniky. Teprve ale když o čtvrt století později Erwin Schrödinger spekulativně vytvořil svou Schrödingerovu rovnici, tak to kvantování energie z ní vycházelo zcela přirozeně.

Dalším mezníkem je rok 1924 kdy francouzský šlechtic Louis de Broglie formuloval hypotézu o vlnové povaze částic, např. elektronů, což bylo pak i experimentálně potvrzeno při pozorování jimi tvořených difrakčních obrazců. Za tento koncept vlnové povahy hmoty pak získává de Broglie Nobelovu cenu v roce 1929 (se zdůvodněním – za objev vlnové povahy elektronů).

Tyto dva zatím izolované výsledky poté propojil právě Erwin Schrödinger rovnicí po něm nazvanou. Erwinu (tedy, správně česky Ervínu) Schrödingerovi bylo v roce 1925 třicet osm let, a už byl čtvrtým rokem profesorem teoretické fyziky v Curychu. Švýcarsko nebylo Schrödingerovou vlastí, narodil se ve Vídni, a po doktorátu postupně prošel různými akademickými úvazky ve Vídni, Jeně, Stuttgartu, a Vratislavi. V letech 1927 až 1933 působil Schrödinger jako profesor na univerzitě v Berlíně. Po příchodu Hitlera k moci požádal o studijní volno, a navštívil Oxford a Princeton. V roce 1936 se Schrödinger stává profesorem v rakouském Grazu, odkud je ale po připojení Rakouska k Říši v r. 1938 vypuzen. Nacisté mu nezapomněli, že byl jedním z mála učenců, kteří v r. 1933 nevítali nástup jejich režimu. A tak byl Erwin Schrödinger z univerzity vyhozen ministerským výměrem datovaným 26.8.1938 s poučením, že proti tomuto výměru není odvolání. Výměr nabýval moci dnem doručení. Schrödingerovi však dosud měli platné pasy a podařilo se jim vycestovat do Říma. Přes Oxford a Gent po roce posléze dorazili do irského Dublinu, kde jim bylo přežít válku. Teprve jako 68-letý se navrátí do Rakouska, odkud byl, ač árijec, vyštván v r. 1938.

Důležitým datem na cestě k Schrödingerově rovnici je 23.11.1925. Během působení v Curychu se Schrödinger obíral kinetikou dielektrik, kde rozvíjel výsledky, kterých dosáhl Peter Debye. Debye byl původem Holanďan narozený v Maastrichtu, od roku 1920 profesor experimentální fyziky na technice v Curychu, známé jako ETH. Debye obdržel Nobelovu cenu za chemii v r. 1936 za příspěvky poznání molekulové struktury. Se svým asistentem Paul Scherrerem kupř. zavedli Debye-Scherrerovu práškovou difrakční metodu. Debye též zkoumal dipolový moment molekul, dnes měřený v jednotkách Debye, a rozvíjel teorii elektrolytů. Peter Debye patřil v Curychu do okruhu blízkých přátel Ervína Schrödingera. Dalším byl Hermann Weyl, v té době profesor matematiky na ETH. Začátkem zimního semestru akademického roku 1925/26 Schrödinger ještě netušil, že ho čekají nejplodnější měsíce života - během roku 1926 vyjde v Annalen der Physik šest jeho prací o vlnové mechanice. To by i jinak bylo hodně, uvážíme-li, že jeho pedagogický úvazek byl překvapivě hutný - týdně pět hodin o teorii elektřiny, dvě hodiny o teorii spekter, cvičení k tomu kurzu elektřiny, a pak jednou za dva týdny společný seminář Univerzity a ETH v délce dvou hodin. Shodou okolností vyšla právě časopisecky ona disertace Louise de Broglie, ve které fakticky s pomocí teorie relativity uvažoval možnost vlnové povahy hmotných částic, a dal do relace hybnost s jejich vlnovou délkou. Peter Debye nadhodil, že by Erwin mohl na semináři na to téma pohovořit – k tomu semináři došlo 23.11.1925. Na jeho závěr měl Debye nezávazně prohodit, že mu ta celá záležitost připadá poněkud dětinská, ale když už se někdo chce vlnami zabývat, měl by k tomu mít nějakou vlnovou rovnici. Jen několik týdnů poté podal Ervín další seminář, který uvedl větou: Můj kolega Debye navrhl, že by bylo třeba nějaké vlnové rovnice - jednu jsem tedy našel.

Po historickém listopadovém semináři zbýval do Vánoc roku 1925 již jen měsíc. Z Schrödingerovy korespondence vyplývá, že se popisem elektronů v atomu pomocí nového vlnového přístupu obíral již před oním seminářem, leč zatím narážel na matematické obtíže. Není jasné, jak mnoho pokročil před Vánocemi. Zřejmě se prvně pokoušel zahrnout i korekce na relativitu, ale pro nesouhlas s experimentem u vodíkového atomu se věnoval hledání rovnice bez relativistického zobecnění. Za neúspěch tehdy patrně mohla ještě neznámá koncepce spinu elektronů. Zatímco Schrödinger tu svou relativistickou verzi nezveřejnil, a ani se nezachovala, udělal to za něj Paul Dirac, což mu pak vyneslo druhou polovinu Nobelovy ceny za fyziku roku 1933. Historie má za jisté, že Ervín odejel na Vánoce do hor do Arosy, a to se ženou, jejíž totožnost se nezná, leč s jistotou se ví, že to nebyla jeho zákonná choť. Ervín na tuto cestu povolal jednu svou dřívější přítelkyni z Vídně. Choť Annemarie zůstala v Curychu, kam se Ervín navrátil až 9. ledna 1926. Ač si Ervín vedl deník, část z roku 1925 bohužel chybí. Navíc chybí i záznam v hotelové knize, ovšem lze pochopit, že právě na tom krásná neznámá mohla mít v konzervativním Rakousku intenzívní zájem.

Dne 27.12.1925 píše Ervín z Arosy do Mnichova W. Wienovi, a z dopisu je zcela jasné, že už měl v ruce správné energetické hladiny elektronu ve vodíkovém atomu. Je to tak první historicky doložené datum, kdy můžeme již hovořit o existenci rovnice dnes známé jako Schrödingerova (vlnová) rovnice. V dopise je též zmínka, že si ještě musí doplnit nějaké mezery v diferenciálních rovnicích, aby věc mohl podat úplně čistě. K tomu zřejmě došlo hned po návratu 9. ledna, neb ve své první časopisecky vyšlé práci Schrödinger děkuje H. Weylovi za radu v řešení rovnice. Rukopis dorazil do Ann. Phys. v úterý 27.1.1926. Již 2. dubna 1926 mohl Schrödinger poslat separát práce Maxu Planckovi, který se spekulativně ku kvantování energie dopracoval už na přelomu století. Ten obratem odpověděl, že článek četl dychtivě jako dítě, které se dovídá řešení hádanky, na které dlouhou dobu nemohlo přijít. Odhaduje se, že jen do roku 1960 bylo publikováno více než 100000 prací představujících aplikace Schrödingerovy rovnice, která se tak stala zcela základním nástrojem pro popis mikrosvěta – elementárních částic, atomů, molekul.

Nobelovu cenu za fyziku obdrželi v roce 1933 společně Erwin Schrödinger a Paul Adrien Maurice Dirac s poněkud kryptickým zdůvodněním: Za objev nové produktivní formy atomové teorie. V roce 1933 byla též zpětně udělena i Nobelova cena za fyziku za rok 1932. Tu dostal Werner Karl Heisenberg za své příspěvky formování kvantové mechaniky (se specifickým zmíněním i vysvětlení dvou alotropických forem vodíku; v roce 1925 se též podílel na maticové formulaci kvantové mechaniky). Posléze v roce 1954 připadla polovina Nobelovy ceny za fyziku Maxu Bornovi – zvláště za statistickou (pravděpodobnostní) interpretaci vlnové funkce.

A určitý vztah ku kvantové mechanice měla i práce, za kterou byla Nobelova cena udělena i Albertu Einsteinovi. Ten vydal v roce 1905 sérii čtyř prací. Nejprve vyšla práce navrhující vysvětlení fotoelektrického jevu, využívající ono tehdy nové kvantování energie navržené Maxem Planckem, následovaná výkladem Brownova pohybu. Na konci září je to pak speciální teorie relativity, a nakonec v listopadu s ní související ekvivalence hmoty a energie E=mc². Po deseti letech Einstein pak dokončuje obecnou teorii relativity, jejíž potvrzení umožnilo pozorování zatmění Slunce v květnu 1919. Leč pro odpor konzervativních učenců v Německu i v Nobelovském výboru by byla Nobelova cena pro Einsteina za teorii relativity neprůchodná. Došlo tak na kompromisní řešení udělit Einsteinovi cenu nikoliv za teorii relativity, nýbrž za jeho výsledky o fotoelektrickém jevu publikované v onom roce 1905. Ty totiž úspěšně vysvětlovaly experimentální pozorování. Výsledkem tohoto kompromisního přístupu bylo, že v září 1922 Nobelovský výbor pro fyziku odsouhlasil udělení ceny Einsteinovi, a to za rok 1921. Takové odročení jednání o jeden rok totiž pravidla cen umožňují. Zdůvodnění pro Nobelovský diplom znělo: Albertu Einsteinovi za jeho služby teoretické fyzice, a zvláště pak za jeho objev zákonitostí fotoelektrického jevu.

Schrödinger si přál být pohřben v horském Alpbachu, místu řady vědeckých setkání. Těsně před pohřbem místní farář zjistil, že se jedná o bezvěrce. Nakonec povolil, že vzhledem k jeho dobrým vztahům s Papežskou akademií, je možné pro toho bezbožníka použít místo na okraji hřbitova.

Mimochodem – k osobě zmíněného P. Debye se váže historka, která se sice našeho tématu přímo netýká, ale je pěkná. V roce 1925 dorazil za Debyeem 22-tiletý student z Norska jménem Lars Onsager, a hned ode dveří mu oznámil, že teda ta jeho Debye-Hückelova teorie roztoků je chybná. Debye mu za to hned na místě nabídl místo asistenta. Onsager pak odešel do USA, a v roce 1931 publikoval dvě práce o termodynamice nerovnovážných dějů, za které dostal v roce 1968 Nobelovu cenu za chemii. Ovšem když se tyto dvě práce pokusil předložit k obhajobě na technice v norském Trondheimu, komise došla k závěru, že je to pro udělení doktorátu nedostatečné. Onsager se tedy vrátil do USA a získal postdoktoranské stipendium na univerzitě Yale. Pak se však ukázalo, že ještě nemá PhD. Onsager neměl sil použít disertaci, s kterou ho čerstvě vyhodili v Trondheimu, a tak předložil ryze matematickou práci, kterou pak na doporučení místní katedry matematiky na chemii i obhájil. Na Yale univerzitě pak setrval až do roku 1972, fakticky jako nástupce jiného slavného učence, J. W. Gibbse.

Foto u perexu: Logo IYQ.Odkaz

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0