Kapitola 1
Úvod
1.3 Kvantová mechanika a dvouštěrbinový experiment
Kvantová mechanika je fyzikální teorie, která popisuje chování částic polí i hmoty v mikrosvětě. Je rozšírením klasické Newtonovy mechaniky, a popisuje chování mikroskopických objektů, částic (např. elektronů, protonů apod.). Jejich pohybový stav zde není popisován pomocí pojmu klasické mechaniky, jako například momentální polohou a hybností (součin hmotnosti a rychlosti daného subjektu) určenou s velikou přesností. V kvantové mechanice jsou “částice” nahrazeny vlnovými funkcemi, které popisují pouze statistické rozložení pravděpodobnosti výskytu částice v daném pohybovém stavu (viz např. [12]).
Jakmile se pokusíme stanovit jejich ryze částicové vlastnosti, narážíme na nepoznatelnost, matematicky vyjádřenou známou Heisenbergovou relací neurčitosti (x poloha, p hybnost, ħ redukovaná Planckova konstanta) [13]. Tato neurčitost v poloze a hybnosti částice je vyjádřená rovnicí (1.1):
ΔxΔp ≥ ħ/2 (1.1.)
Klasickou ukázkou odlišnosti projevu kvantového světa od nám běžně známých je dvouštěrbinový experiment, schematicky znázorněný na obrázku 1.3.
Obrázek 1.3: Dvouštěrbinový experiment je známý a jednoduchý [14]. Zleva vysíláme proud kvant (fotony, elektrony či jiné subatomární částice), které procházejí stínítkem se dvěma úzkými štěrbinami. Tato kvanta se v daném experimentu chovají jako vlny. Na zadním stínítku pak vidíme interferenční obrazec vzniklý složením vln prošlých oběma šterbinami.
Záhada, se kterou si dodnes lámou hlavu fyzikové celého světa, spočívá v tom, že přidáme-li do tohoto systému k jedné ze štěrbin citlivý detektor schopný registrovat jednotlivá kvanta (fotony, elektrony apod.), celý interferenční obrazec zmizí – a vysílané objekty se začnou chovat jako proud částic (obrazec na stínítku se změní a výsledek je podobný, jako kdybychom na obě štěrbiny vystřelovali třeba zrnka písku). Tento jev nastává vždy, jakmile se pokusíme zjistit dráhu jednotlivých kvant (ať je již použita jakákoliv metoda). Přitom vlnový charakter se projeví i pokud posíláme částice/kvanta „po jednom“, pro pozorování interference je vždy rozhodující pouze to, zda má pozorovatel v průběhu experimentu k dispozici informaci o dráze jednotlivých kvant.
Slavný vědec Niels Bohr a Werner Heisenberg tak dospěli k závěru, že objekty mikrosvěta existují v obou formách současně – tedy i jako vlny, i jako částice. Jakou podobu budou mít, závisí jen na způsobu měření (viz například i známá kodaňská interpretace [15]). Od té doby byly navrženy i mnohé jiné výklady pozorovaného duálního chování, ale o plném pochopení těchto jevů jistě mluvit nelze. Jak také odvodit z pojmu „vlna“ pojem „částice“ a naopak?
Na základě dosavadních zjištění a pokusů se zdá jakoby objekty mikrosvěta (pokud je přímo neregistrujeme např. detektorem) byly silně nelokalizovány (rozprostraněny na makroskopické vzdálenosti). Díky tomu i jeden vyslaný foton, elektron (či jiná mikročástice) může projít oběma štěrbinami zároveň a interferovat „sám se sebou“.
V roce 1927 Werner Heisenberg napsal [16] (přeloženo):
„Protože je statistická povaha kvantové teorie tak úzce spojená s neurčitostí všech pozorování a vjemů, někdo by mohl dojít k závěru, že za pozorovaným, statistickým světem se skrývá „reálný svět“, ve kterém platí zákon kauzality. Chceme explicitně prohlásit, že takovéto spekulace jsou neplodné a nesmyslné. Jediným úkolem fyziky je popsat vztahy mezi pozorováními.“
Heisenberg tímto výrokem vysvětluje své přesvědčení, že za statistickým charakterem kvantové mechaniky už se žádná klasická kauzální realita neskrývá, tedy že (doslovná citace [16]) “kvantová mechanika představuje finální selhání kauzality”.
Se vší úctou k tomuto slavnému fyzikovi si v naší práci dovolíme ne zcela souhlasit s tímto jeho silným a jednoznačným výrokem. Chtěli bychom předložit filozofický pohled, který by mohl blíže objasnit a vysvětlit projevy kvantového světa, včetně výsledku i tech nejnovějších vědeckých pozorování (např. experimentální ověření kvantové provázanosti mikročástic – viz Delftský experiment z roku 2015 [17]).