Kvantová mechanika je mrtvá, ať žije determinismus

7. 12. 2017 9:09:29
To je divné tvrzení, když je kvantová mechanika základem počítače, na kterém zrovna píšete. Mrtvé je ale jen pravděpodobnostní chápání kvantové mechaniky s jejími superpozicemi, kolapsem vlnové funkce a podobnou duchařinou.

Vysvětlíme teď vše podrobněji, nicméně v zásadě tím myslíme, že je mrtvá kvantová mechanika ve své široce známé podobě s neurčitostí, v extrému s vlivem pozorujícího subjektu na realitu, se Schrödingerovou kočkou a dalšími tajemnostmi. Zapomeňte na ni. Místo ní nastoupila deterministická kvantová mechanika, kde má každá částice v podstatě přesnou polohu, přesnou rychlost a další vlastnosti také určité, pozorovatel v ní nemá žádnou podstatnou roli a Schrödingerova kočka nemůže být současně živá i mrtvá, když ji nevidíme.

Matematika staré neurčitostní kvantové mechaniky, její Schrödingerova vlnová funkce, přesto dává výsledky, které neuvěřitelně přesné odpovídají realitě. Proto funkce vašeho počítače nebo vašeho mobilu není ohrožena a můžete se na ni spolehnout. Věc je ale v tomto, že tyto přesné výsledky dává pouze pro velké soubory částic, milióny nebo miliardy. A pokud se zeptáte, jaké konkrétní vlastnosti, třeba polohu a rychlost má jedna částice, tato 90 let stará kvantová mechanika dává jen rozmazané výsledky. S tím je spojen i její problém s interpretací, tedy s jejím fyzikálním pochopením, s pochopením toho, co se tam vlastně děje. Klasická kvantová mechanika stále nenabízí žádnou opravdu dobrou intepretaci, což se projevuje tak, že jich vznikly desítky a stále vznikaj další. Prostě si neví rady, ve stylu Feynmanova prohlášení, že kvantové mechanice nerozumí nikdo. Fyzika jí tedy zatím opravdu nerozumí.

Určitě znáte již zmíněnou mýtickou Schrödingerovu, napůl mrtvou a napůl živou, kočku, která je v tomto neurčitém stavu do té doby, dokud otevřete krabici, ve které je zavřená a neuvidíme ji. To je představa původní pravděpodobnostní Kodaňské interpretace kvantové mechaniky, pokud důsledky kvantové mechaniky přeneseme do makrosvěta. Nicméně právě tato kočka je spíše demonstrace toho, že zákonitosti pravděpodobnostní kvantové mechaniky se v zásadě nedají přenášet z mikrosvěta do pro nás obvyklého makrosvěta (kromě speciálních stavů jako je např. supratekutost). Ale zároveň je to dobrá ilustrace toho, jak by se měly částice podle Kodaňské interpretace chovat v mikrosvětě. Skutečné řešení je prosté: kočka je pořád v určitém stavu, my to jen nevíme. To platí i o kvantových částicích.

Podle této zastaralé Kodaňské interpretace jsou (některé) vlastnosti individuálních částic neurčité, ať už jde o jejich polohu, rychlost, "rotaci" (spin) nebo něco jiného. Dokonce se částice může údajně vyskytovat na mnoho místech současně, čemuž se říká superpozice. Ostatně i ona kočka je prý také v superpozici stavů živá-mrtvá. A mnoho vlastností částic může mít různé hodnoty současně. To je ale velmi prapodivné.

Aby byly tyto podivnosti, a tedy i neurčitost odstraněny, navrhl už v roce 1927 nositel Nobelovy ceny za fyziku Louis de Broglie první deterministickou interpretaci kvantové mechaniky tak, že navíc oproti Kodaňské interpretaci uvažoval tzv. pilotní vlnu, na které "plavou" částice, jejichž pohyb je onou vlnou ovlivňován. Tato vlna je tak jemná, že ji přímo neregistrujeme a její vliv se právě projevuje jen jako neurčitost/rozmazanost vlastností částic, pakliže tuto vlnu do výpočtu nezahrneme. Je to jako byste třeba pouštěli z balkónu padáček a nevnímali, že fouká vítr, který může jeho pád ovlivnit. Pochopitelně bez započtení vlivu větru dostanete jen spoustu možných poloh, kam padáček může pod vlivem větru dopadnout. To je zjednodušeně představa kvantové superpozice polohy. Jestliže vítr zahrneme a víme přesně, jak fouká, žádná superpozice dopadu se nekoná, a můžeme místo dopadu určitě přesně.

Takže interpretace s pilotní vlnou určí (v metafoře) finální polohu padáčku velmi přesně, zatímco původní Kodaňské chápání dostane jen milióny různých poloh, které mohou být způsobeny různou sílou a různým směrem větru. Když ale s balkónu shodíme třeba milión padáčků, vypočte nám Kodaň velmi přesně rozložení všech možných dopadů.

Když je ale chápání s pilotní vlnou jasnější a dokonalejší, proč už dávno neovládla fyziku, zeptáte se. Věc je v tom, že Kodaňská interpretace má daleko jednodušší matematiku, jednak proto, že dává daleko méně informací, ale hlavně proto, že nemusí popisovat onu pilotní vlnu, která je velmi podivná. Tato vlna zřejmě umožňuje i vliv budoucnosti na současnost, působí tedy v prostoročase, a proto je pravděpodobně vícerozměrná. Také se vymyká teorii relativity, protože, zdá se, přenáší kvantovou provázanost, a to se děje nadsvětelnou rychlostí. V tuto chvíli pak neexistuje opravdu dobrý matematický model, který by i tuto pilotní vlnu popisoval. Obrovskou přednostní pilotní vlny zato ale je, že vysvětluje v podstatě všechny kvantové podivnosti zcela přirozeně. Neurčitost polohy je třeba podle ní jen zdánlivá, jak jsme ukázali na metafoře padáčku výše.

Aby vaše představa byla co nejnázornější, podívejte se na předcházející video. Je to sice pouze metafora, neboť částice nejsou opravdu kapičky skákající na hladině a pilotní vlna není dvojrozměrná hladina kapaliny, ale i tak ono video velmi názorně zobrazuje, co se v kvantové mechanice skutečně děje. A jak říkají lidé, kteří na této představě pracují: Jaká je pravděpodobnost, že je pilotní vlna špatně, když vysvětluje přirozeně všechny zásadní podivnosti kvantové mechaniky, což žádná jiná z intepretací nedokáže? Spoléháme se přitom na Occamovu břitvu, která nám říká, že nejjednodušší řešení je s největší pravděpodobností to správné. Interpretace pilotní vlny nepotřebuje miliardy miliard paralelních vesmírů, které vznikají při všech miniaturních kvantových událostech jako Everettova mnohasvětová interpretace (i když vícerozměrnost Everett odhadl zřejmě dobře) a nepotřebuje ani podivné chování Schrödingerovy kočky nebo jinou rozmazanost.

Kodaňská kvantová mechanika se pak ukazuje jako pouze neúplný popis mikrosvěta, který nezahrnuje vliv pilotní vlny, což vytváří klamný dojem neurčitosti. Podobnou neurčitost získáme například, když se budeme snažit spočítat finální polohu bílé lodičky na tmavé vodě v takovém nasvícení, že lodička bude zářit a voda a její vlnky nebudou vidět. Také nebudeme chápat, proč se ta lodička tak podivně pohybuje. Na takové scéně se těleso, jakým je lodička, bude pohybovat také vlnově, i když vlnou není, což je vysvětlení další kvantové tajemnosti a to interference (vlnové skládání) jediné částice na dvou štěrbinách (jakož i část vysvětlení vlnově částicové duality vlna částic) Viz další video níže.

Dnešní situace trochu připomíná souboj Ptolemaiovy geocentrické sluneční soustavy, která dávala ve své době matematicky přesnější výsledky než Koperníkova představa sluneční soustavy se Sluncem ve středu. Koperník dlouho prohrával, protože byl méně přesný než Ptolemaios. Koperník zveřejnil svůj heliocentrismus už v roce 1543, ale přesné údaje k formulaci zákonů pohybů planet, včetně toho, že oběhy planet jsou eliptické, což výpočty značně zpřesňovalo, dodal až Kepler na základě měření Tychona de Brahe, ke kterým se plně dostal až Tycho zemřel. Tyto své zákony Kepler zveřejnil v roce 1609 a 1618, čímž se teprve stal heliocentrický model přesnější než Ptolemaiův geocentrický a prokázal tak, že tento model je nejen jednodušší, logičtější, ale i dokonalejší. Vše k logické dokonalosti dovedl následně v roce 1687 Isaac Newton svým odvozením pohybu planet z gravitačního zákona.

Ale po dlouho dobu byla geocentrická představa prostě přesnější a těžko překonatelná, i když byla tak trochu fyzikálním nesmyslem. Nebo ne přímo nesmyslem, ale pomocnou, fyzikálně nesprávnou, deformovanou představou. Dnes je situace v kvantové mechanice velice podobná jako před formulací Keplerových zákonů v astronomii. Stará pravděpodobnostní interpretace kvantové mechaniky je sice nesmyslná, ale jinak funguje matematicky velmi dobře. A kdo by se chtěl vzdát něčeho sice nesmyslného, co ale přes 90 let dobře funguje a na co je zvyklý, když přesnější matematický model zatím neexistuje, že?

Ale že i fyzici začínají brát deterministické chápání pilotní vlny jako dobrou možnost, ukazuje třeba i článek o pilotní vlně v nejprestižnějším vědeckém časopise Nature. Většinou fyziků kritizovaný Albert Einstein za svůj odpor k pravděpodobnostnímu chápání kvantové mechaniky bude mít zřejmě nakonec zase pravdu se svou představou, že i kvantová mechanika musí být deterministická. I když i on prohlásil, že to přece nemůže být tak jednoduché, když slyšel o pilotní vlně. Ono to ale také tak jednoduché není, neboť ona pilotní vlna je velmi velmi podivná, jak jsme uvedli.

A máme-li se opřít i o další autority, pak nositel Nobelovy ceny za fyziku Murray Gell-Mann prohlásil, že Bohr se svou Kodaní "vymyl mozky celé generaci fyziků" a také zastával pilotní vlnu. Podobně jako John Stewart Bell, autor proslulé Bellovy nerovnosti, kterou dokázal, že tzv. skryté proměnné, které podle Einsteina měly odstraňovat kvantovou neurčitost, nemohou být lokální, tedy působit na jednom místě. Ona samozřejmě pilotní vlna není částice, aby působila jen na jednom místě, tedy aby byla pouze lokální.

Kodaňská interpretace je něco, jako koukat na svět přes velmi jemnou mlhu. Velké objekty vidíme přesně, ale ty maličké se jeví jaksi rozmazané, i když ve skutečnosti rozmazané nejsou, jak ukazuje chápání pilotní vlny.

Autor: Jan Fikáček | čtvrtek 7.12.2017 9:09 | karma článku: 38.57 | přečteno: 2727x

Další články blogera

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky moderní vědy I

Fyzika se dostává extrémně daleko od našeho přirozeného světa, a tím se ocitá v oblasti záhad, které je hodně těžké pochopit. Nejednou si s nimi neporadí i ti největší géniové. Pak je ale velmi důležité vyloučit prosté chyby.

16.9.2019 v 9:07 | Karma článku: 33.27 | Přečteno: 1077 | Diskuse

Jan Fikáček

Richard Feynman o povrchnosti fyziky a matematiky

Fyzici rádi vykládají fyziku jako to nejhlubší lidské poznání. Jenže toto poznání je stále povrchní, což velmi jasně formuloval geniální nositel Nobelovy ceny za fyziku, hravý Richard Feynman. Uvádíme volný překlad jeho slov:

10.9.2019 v 9:07 | Karma článku: 39.25 | Přečteno: 1839 | Diskuse

Jan Fikáček

Proč se kvantová mechanika týká především makrosvěta

Slyšeli jste asi miliónkrát, že kvantová mechanika je fyzikou mikrosvěta. Mnoho jejích efektů je ale překvapivě makroskopických. A nemusí to být zrovna Schrödingerova kočka, která úmyslně převádí mikroproces na makro-efekt.

26.8.2019 v 9:03 | Karma článku: 43.67 | Přečteno: 3550 | Diskuse

Jan Fikáček

Naučte svého psa kvantovou mechaniku

Současná fyzika je zvláštní v tom, že někdy hledá podivné souvislosti tam, kde jsou souvislosti v principu prosté. Na jednu stranu je to logické, neboť fyzika 20. století je ve srovnání s newtonovskou fyzikou hodně zvláštní.

19.8.2019 v 9:03 | Karma článku: 43.59 | Přečteno: 2932 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky moderní vědy I

Fyzika se dostává extrémně daleko od našeho přirozeného světa, a tím se ocitá v oblasti záhad, které je hodně těžké pochopit. Nejednou si s nimi neporadí i ti největší géniové. Pak je ale velmi důležité vyloučit prosté chyby.

16.9.2019 v 9:07 | Karma článku: 33.27 | Přečteno: 1077 | Diskuse

Dana Tenzler

Co si počít, když jste zapomněli, kde máte svou atomovou bombu?

“Kam jsem to jenom dal(a)?” je velice napínavá otázka. O to napínavější, když je ztraceným předmětem... atomová bomba. (délka blogu 10 min.)

16.9.2019 v 8:00 | Karma článku: 23.18 | Přečteno: 522 | Diskuse

Zdenek Slanina

Fraška na UPOL připomíná, že ochrana akademických whistleblowerů u nás neexistuje záměrně

Univerzita v Olomouci není jen jednou další institucí, kde se provalila hniloba akademických nepřístojností. Stejně jako jinde se tam ani neřešila ochrana akademických whistleblowerů, neb nebyla žádoucí. Naopak nežádoucí byli oni.

15.9.2019 v 15:33 | Karma článku: 21.68 | Přečteno: 2655 |

Dana Tenzler

Proč se podobají tvary stromů a jejich listů?

Staré pravidlo říká, že se tvar stromu a jeho listí navzájem podobají. Z dálky tak lze rozeznat jabloň od hrušně a lípu od javoru. Je to pravda? A pokud ano, proč? (délka blogu 3 min.)

12.9.2019 v 8:00 | Karma článku: 23.23 | Přečteno: 558 | Diskuse

Jan Fikáček

Richard Feynman o povrchnosti fyziky a matematiky

Fyzici rádi vykládají fyziku jako to nejhlubší lidské poznání. Jenže toto poznání je stále povrchní, což velmi jasně formuloval geniální nositel Nobelovy ceny za fyziku, hravý Richard Feynman. Uvádíme volný překlad jeho slov:

10.9.2019 v 9:07 | Karma článku: 39.25 | Přečteno: 1839 | Diskuse
Počet článků 152 Celková karma 41.31 Průměrná čtenost 2608

Vystudoval chemii, kybernetiku a teorii systémů (interdisciplinární studia) a považuje se za obecně uvažujícího člověka někde na pomezí mezi přírodními vědami a filosofií. Roky vyučoval filosofii fyziky a virtuální reality na PřF a MFF UK v Praze (a v té době odmítal tituly jako Doc. nebo CSc.). Nyní PhD student filosofie teoretické fyziky. Pracoval jako evropský expert pro "Future and Emerging Technologies". V letech 1991-7 byl předsedou společnosti Mensa ČRVíce informací zde.

Chcete-li sledovat diskuse v jeho skupině, připojte se do Vědecké filosofie & Fyziky (nejen). jan@fikacek.cz
 
Upozornění: Toto je popularizační blog pro veřejnost, neberte ho tedy jako vědeckou dizertační práci. :-) Autor má zde uváděné základní myšlenky většinou propracované do hloubky, do blogu pro veřejnost však není vhodné uvádět příliš složité formulace. Autora ale baví komunikovat s veřejností, proto tato forma s někdy expresivním vyjadřováním, přehnané nadpisy, které k popularizaci asi patří. Některé blogy jsou však čistá věda, ba dokonce mainstream, některé (asi většina) jsou kritické úvahy snažící se formulovat nové nápady, některé jsou opravdu jen sci-fi nebo spíše sci-sci-fi.

P.S.: Komentáře, které budou řešit autora, ne (jen) obsah blogu, budou bez varování smazány. :-) 

Najdete na iDNES.cz