Naučte svého psa kvantovou mechaniku

19. 08. 2019 9:03:44
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.

Proto se skutečně dají dají očekávat různé podivnosti. Na druhou stranu mezi Newtonovou fyzikou a kvantovou mechanikou a teoriemi relativity nejsou mnohdy rozdíly až tak nepřekonatelné a zásadní. To, co se na první pohled zdá velmi bizarní, se dá nejednou pochopit analogiemi v klasické fyzice. Mnohdy dokonce pochopení dávají i analogie z přirozeného světa. Je třeba známo, že základní princip obecné teorie relativity, princip ekvivalence, Einsteina napadl jako analogie člověka padajícího ve výtahu. Tento pád je totiž (téměř) totéž jako stav beztíže. Očekávat tedy, že každý nový jev bude zcela odlišný od toho, co známe je kontraproduktivní. Dokonce každý nový jev se musí v něčem a to v něčem zásadním shodovat s již poznanou fyzikou. Kdyby byl totiž absolutně odlišný, neměl by žádný informační kanál s poznanou oblastí a nikdy bychom se o něm nic nedověděli.

Ale uveďme ještě pár dalších analogií moderní fyziky se známými jevy. Další analogií, která pomůže pochopit něco podivného z obecné teorie relativity, je vodopád. Zní velice tajemně, když se z hlediska vnějšího pozorovatele zastaví čas na horizontu událostí černé díry a za ním není nic pozorovatelné. Jak funguje horizont černé díry si ale lze snadno představit na analogii vodopádu, viz video výše. Proti proudu vodopádu se snaží plavat ryba. Jestliže je od vodopádu ryba dosti daleko (viz ryba vpravo), proud není moc rychlý a ryba jej překoná. Může od vodopádu odplavat. Jestliže se ale přiblíží k vodopádu příliš, je proud rychlejší než maximální rychlost ryby a rybu to stáhne dolů (viz ryba vlevo). Hraničním případem je na videu ryba uprostřed. Plave svou maximální rychlostí, ale proud je přesně stejně rychlý a tak ryba zuřivě plave na místě a nemůže z vodopádu už nikdy uniknout.

Místo ryb si stačí představit světlo a místo vody do černé díry tekoucí prostoročas, a máme před sebou představu horizontu událostí. Vše, včetně světla, co se ocitne na či pod horizontem událostí, už černou díru nemůže nikdy opustit. (Podrobněji třeba v článku What Sonic Black Holes Say About Real Ones. Nebo ještě detailněji v blogu Je prostoročas tekutý? Aneb, jsem blázen nebo nový Einstein?) Podobných analogií by byly stovky. Uveďme si teď jednu, která metaforicky vysvětluje prakticky všechny podivnosti kvantové mechaniky a na které pochopí kvantovou mechaniku opravdu každý. Tato analogie převádí prapodivné zvláštnosti kvantové mechaniky na něco velmi pochopitelného a prostého. Stačí shlédnout níže přiložené video:

Jde o kapičky silikonového oleje, které poskakují na vibrující hladině téže kapaliny. Tyto kapičky jsou analogií elementárních částic a vlny na hladině jsou analogií pilotní vlny kvantové mechaniky. Tato pilotní vlna byla představou nositele Nobelovy ceny za dualitu vlna částic Louise de Broglieho z roku 1927, zdokonalené v roce 1952 Davidem Bohmem. Podivnou kvantovou dualitu vln a částic vysvětluje analogie se silikonovým olejem skvěle. Částice se chová jako obojí, jako vlna i jako částice, prostě proto, že tam obojí skutečně je. Částice je diskrétní, ale její pohyb je ovlivňován i spojitou vlnou. Jak prosté milý Watsone, že? :-) (Samozřejmě jde jen o metaforu a silikonové kapičky nejsou elementární částice, ale už tato zjednodušená analogie dává jasné pochopení kvantových jevů.)

Tato analogie také zcela průhledně vysvětluje záhadu dvou štěrbin, kterými prochází individuální částice, a přesto, že jde jen o jednu částici, vypadá to, že projde oběma štěrbinami současně. Výklad je prostý. Oběma štěrbinami neprojde částice, ale její pilotní vlna, kterou nevidíme, a ta interferuje, tedy se skládá podobně jako dvě vodní vlny ze dvou zdrojů, viz obrázek níže:

Interference vlny na dvou štěrbinách. Vlna prochází oběma štěrbinami (což jedna částice nemůže) a vytváří tak dvě vlny, které se skládají, interferují. Pohyb jediné částice, která prošla jen jednou štěrbinou, je také interferenční, díky pohybu na vlnách.Interference vlny na dvou štěrbinách. Vlna prochází oběma štěrbinami (což jedna částice nemůže) a vytváří tak dvě vlny, které se skládají, interferují. Pohyb jediné částice, která prošla jen jednou štěrbinou, je také interferenční, díky pohybu na vlnách. (Wikimedia Commons, the free media repository)

Evidentně se dá celkem snadno odporovat Richardovi Feynmanovi, který považoval interferenci jedné částice na dvou štěrbinách jakož i celý dvouštěrbinový experiment za nepochopitelný a nepřekonatelně tajemný. Silikonové kapičky poskakující na vibrující hladině jsou něco, co pochopí každý, a možná by to pochopil i geniální pes na obrázku níže. :-)

Připomeňme si ještě, že nositel Nobelovy ceny Ervin Schrödinger (kterého známe také díky jeho Schrödingerově kočce) formuloval svou slavnou vlnovou rovnici kvantové mechanik s úmyslem popsat pilotní vlnu Louise de Broglieho. Za tuto rovnici pak Ervin dostal Nobelovu cenu a uznávají ji všichni vědci, neboť přesně souhlasí s experimenty. Zřejmě ale nepopsal přímo pilotní vlnu, která je pravděpodobně vícerozměrná, ale popsal pouze její pravděpodobnostní vliv na částici. Samotná pilotní vlna tak prozatím zůstala skryta za oponou, která se jmenuje kvantová náhoda. Ano, zdá se, že tato pilotní vlna jako forma implicitního řádu, jak ho nazval David Bohm, je oněmi bájnými skrytými proměnnými, které poznány v budoucnosti ukáží, že kvantová náhoda je jen naše neznalost. A ano, tato pilotní vlna splňuje i Bellovu nerovnost, neboť není lokální, neboli je zřejmě tou vlnou, která přenáší kvantovou provázanost a není proto limitována rychlostí světla.

A kdybyste chtěli ještě jednu názornou analogii, vysvětlující něco nepochopitelného, a to že rychlost světla je stejná vůči jakkoliv rychle se pohybujícímu pozorovateli, koukněte do blogu Proč je rychlost světla stále neměnná - relativita snadno a názorně... Možná, že je moderní fyzika o hodně pochopitelnější, než se mnohdy má za to.

Autor: Jan Fikáček | pondělí 19.8.2019 9:03 | karma článku: 43.59 | přečteno: 2932x

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

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