Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Kvantová mechanika

.časopis .veda

„Ak niekto hovorí, že rozumie kvantovej mechanike, potom buď klame, alebo nerozumie slovu rozumieť.“ Máločo vystihuje súčasný stav vedeckého poznania lepšie ako tento výrok, pripisovaný nositeľovi Nobelovej ceny Richardovi Feynmanovi.

Kvantová mechanika je mimoriadne dôležitá fyzikálna teória. Opisuje procesy prebiehajúce na úrovni atómov a je preto základom nášho porozumenia všetkému, čo sa z atómov skladá. A z nich sa skladá prakticky všetko.
Vďaka kvantovej mechanike rozumieme napríklad tomu, ako látky pohlcujú a vyžarujú svetlo, ako elektróny v kovoch vedú elektrický prúd, ako fungujú supravodivé magnety, integrované obvody, a tak ďalej. To však nie je všetko, kvantová mechanika vysvetľuje aj to, ako vzniká chemická väzba, takže je základom celej chémie, ktorá je základom molekulárnej biológie, ...
Takmer všetkému – neživému aj živému – teda rozumieme v istom zmysle na základe kvantovej mechaniky. Samotnej kvantovej mechanike však poriadne nerozumieme.

.porozumenie

To, že jej nerozumieme poriadne, však ešte neznamená, že jej nerozumieme vôbec. Naopak, v istom zmysle jej rozumieme výborne. Akurát, že nie dostatočne.
Ako sa dá niečomu rozumieť výborne a pritom nedostatočne? Nuž, vo fyzike – rovnako ako v mnohých iných oblastiach – je možných niekoľko stupňov porozumenia. A dokonalé porozumenie na určitom stupni sa môže celkom dobre snúbiť s úplným nepochopením na inom stupni.
Základným stupňom je porozumenie jazyku, ktorý sa v danej oblasti používa. V prípade fyziky je základným jazykom matematika a všelijaké tie jej kliky-háky. Pre laikov je tento jazyk často úplne nezrozumiteľný, a tak sa im môže zdať, že porozumenie či neporozumenie teórii atómov spočíva hlavne v pochopení alebo nepochopení príslušných matematických hieroglyfov.
Znalosť strašidelných symbolov je však v skutočnosti iba nutnou, a nie postačujúcou podmienkou pochopenia akejkoľvek fyziky (nielen kvantovej mechaniky). Je to podobné, ako znalosť písmen a čítanie: dieťa, ktoré pozná písmená, ešte nemusí vedieť čítať, a dieťa, ktoré vie čítať, ešte nemusí vedieť čítať s porozumením. A rovnako fyzik, ktorý pozná význam matematických symbolov, ešte nemusí vedieť nič z fyziky, a aj keď z nej niečo vie, nemusí tomu v skutočnosti rozumieť.
U fyzikov, tak ako u detí, sa vyskytujú ľudia takmer negramotní, potom takí, ktorí sa niečo naučili, ale v skutočnosti tomu príliš nerozumejú, a nakoniec takí, ktorí naozaj rozumejú (čo vyžaduje okrem schopností aj veľa „sĺz a potu“). Tých prvých je prekvapujúco veľa, tých posledných prekvapujúco málo. Šedému priemeru medzi týmito dvoma extrémami skutočné porozumenie nijako zvlášť nechýba. (Krásnym príkladom je matematicko-fyzikálna fakulta UK, na ktorej nie je najväčší frajer ten, kto fyzike najlepšie rozumie, ale ten, kto získa grant na kúpu najdrahšieho prístroja.)
Veľká časť fyzikov teda nerozumie ani oveľa jednoduchším teóriám, ako je kvantová mechanika. Ale kvantovej mechanike v nejakom zmysle nerozumejú ani tí naozajstní fyzici. Práve to je na tejto teórii výnimočné.
Napriek spomínanej nezrozumiteľnosti sa však kvantovej mechanike dá v mnohom rozumieť rovnako dobre ako iným fyzikálnym teóriám. V čom sa jej dá rozumieť? V tom, čo má s ostatnými fyzikálnymi teóriami spoločné. Základná rovnica kvantovej mechaniky totiž hovorí niečo veľmi podobné ako základné rovnice iných oblastí fyziky (optiky, akustiky, hydrodynamiky, termodynamiky, všeobecnej teórie relativity, ...). Všetky tie rovnice hovoria, ako sa v čase menia rôzne fyzikálne veličiny (intenzity elektrických a magnetických polí, hustota a tlak vzduchu, rýchlosť kvapaliny, teplota prostredia, geometria časopriestoru, ...). Ak poznáme hodnoty týchto veličín v nejakom čase, rovnice nám umožňujú vypočítať ich hodnoty aj v ľubovoľnom neskoršom čase.
Základná rovnica kvantovej mechaniky (Schrödingerova rovnica) umožňuje niečo veľmi podobné, a predsa iné. Aj ona umožňuje zo znalosti „čohosi“ v určitom konkrétnom čase vypočítať, ako bude toto „čosi“ vyzerať v ľubovoľnom neskoršom čase. Lenže to „čosi“ vystupujúce v Schrödingerovej rovnici nie je fyzikálna veličina, nie je to niečo, čo by sme vedeli merať.
S fyzikálnymi veličinami však to „čosi“ veľmi úzko súvisí. Neumožňuje nám síce vypočítať priamo hodnoty fyzikálnych veličín, ale pravdepodobnosti, s akými jednotlivé hodnoty nameriame. A práve tu to začína byť s tou zrozumiteľnosťou dosť ošemetné.

.pravdepodobnosť
Od základnej fyzikálnej teórie, ktorá má byť v nejakom zmysle základom celého nášho porozumenia prírode, by sme totiž očakávali niečo viac než len pravdepodobnosti. Od Newtona až po Einsteina nás fyzika presviedčala, že vie veci predpovedať s úplnou istotou. A zrazu nám na tej najfundamentálnejšej úrovni ponúka namiesto istoty len pravdepodobnosť. To čo si dovoľuje?
Predstava, že kvantová mechanika vie predpovedať len pravdepodobnosti, je dosť ťažko stráviteľná, a to nielen pre laikov. Napríklad Einstein túto predstavu nikdy neprijal a Schrödinger ju vraj priam neznášal. Lenže ani jeden z nich, ani nikto iný, nebol schopný prísť s niečím lepším.
Mnoho ľudí považuje pravdepodobnostný aspekt kvantovej mechaniky za jednu z jej nezrozumiteľných čŕt. Mentálny problém s pravdepodobnostným charakterom tejto teórie pramení zrejme z toho, že pravdepodobnosti považujeme väčšinou za akési nutné zlo, spojené s nedostatkom informácií. Vo väčšine situácií z bežného života totiž máme podvedomý pocit, že keby sme mali k dispozícii všetky potrebné informácie, vedeli by sme o veciach hovoriť s úplnou istotou a nielen s určitou pravdepodobnosťou. Nuž a od fundamentálnej teórie máme tendenciu požadovať najplnšiu možnú informáciu (v duchu zdanlivo prirodzenej logiky, že ak neobsahuje úplnú informáciu, potom zrejme nie je fundamentálna).
Na tom, že fundamentálna teória hovorí iba o pravdepodobnostiach, však nie je logicky nič závadné. Iná vec je, či to vyhovuje nášmu vkusu, ale estetické námietky sú predsa len menej závažné ako námietky logické. A tak sa ľudia naučili žiť s fundamentálnou teóriou, ktorá nedáva nič lepšie ako pravdepodobnosti. Nie je to veľmi príjemné, ale dá sa to vydržať. Sú aj horšie veci, dokonca aj v samotnej kvantovej mechanike. Pravdepodobnostný aspekt totiž nie je jej najnezrozumiteľnejšou časťou. Tou je niečo iné.

.meranie
To iné však s pravdepodobnosťou úzko súvisí. Kvantová mechanika nám hovorí, v akých stavoch sa môžu nachádzať atómy a ako dopadnú merania rôznych fyzikálnych veličín charakterizujúcich tieto stavy. Nehovorí však jednoznačne, aké budú hodnoty týchto veličín, hovorí len o pravdepodobnostiach, s akými jednotlivé hodnoty nameriame. Nezrozumiteľný je práve proces merania.
Na tomto mieste nie je možné dostatočne jasne vysvetliť, v čom spočíva táto nezrozumiteľnosť, ale pokúsime sa aspoň niečo naznačiť. Kvantová mechanika proces merania neopisuje a ani ho v princípe opísať nedokáže. K obrovským zvláštnostiam tejto teórie patrí to, že na svoju zmysluplnú formuláciu potrebuje mať meranie ako čosi, čo stojí mimo nej.
Podobne ako pravdepodobnosti, aj toto môže pôsobiť zvláštne a neprirodzene, ale z logického hľadiska je to úplne v poriadku. Čo v poriadku nie je, je skutočnosť, že meranie sa deje pomocou prístrojov, a tie sa skladajú z atómov. To však znamená, že prístroje by mali byť opísateľné kvantovou mechanikou. Lenže kvantová mechanika ich potrebuje ako niečo, čo ňou samou opísané nie je. A sme v slepej uličke.
Pravdepodobnostný aspekt kvantovej mechaniky a s ním súvisiaci problém merania robia z tejto teórie jednu z najväčších vedeckých záhad všetkých čias. A táto záhada leží v samých základoch celého nášho prírodovedného poznania. To je na jednej strane dosť frustrujúce, ale na strane druhej je to celkom milé. Pripomína nám to, že s tým vedeckým poznaním nie sme zase až tak ďaleko, ako si občas namýšľame. A to je užitočné pripomenutie. Troška pokory nikdy nezaškodí.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite