Proč se kvantová mechanika týká především makrosvěta

26. 08. 2019 9:03:23
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.

Schrödingerovu kočku vymyslel nositel Nobelovy ceny Erwin Schrödinger proto, aby ukázal, že představa superpozice Kodaňské interpretace kvantové mechaniky je nesmyslná, a potažmo, že celá tato pozitivistická interpretace je logicky nesprávná. Zábavné je, že se nesmyslná představa superpozice této kočky, kdy je kočka zároveň mrtvá i živá, dokud ji někdo nepozoruje, se naopak stala vývěsním štítem tajemnosti kvantové mechaniky, alespoň v očích veřejnosti. Každého z nás totiž přitahují logicky nemožné paradoxy, které nechápeme. Vyplývá to z tzv. teorie neschopnosti. Nepochopení nás nutí i nonsens, jako je právě tato kočka, obracet v hlavě neustále dokola, přestože bychom jej měli prostě odmítnout. :-)

Pan Schrödinger u své kočky využil faktu, že kvantové efekty obvykle směrem k makroúrovni postupně slábnou až vymizí a vytvořil představu kauzálního řetězce, kde jedna mikročástice přenese své kvantové vlastnosti na makroobjekt, kočku, kde by se už kvantová mechanika neměla projevovat. Podle některých je tato kočka skutečně současně mrtvá i živá. Kdyby tomu tak ale bylo, nebyla by kvantová mechanika především záležitostí mikrosvěta, neboť kvantový by mohl být každý makroobjekt, který nepozorujeme.

Kvantová mechanika není nikdy omezena na mikrosvět. Stačí uvážit vlnovou funkci opět pana Schrödingera. Ta určuje pravděpodobnost, kde se částice vyskytuje, a pro každou částici se rozprostírá v prostoru prakticky do nekonečna. Není to tedy žádné mikro, ale makro. Dá se namítnout, že vlnová funkce jedné částice má nejvýznamnější oblast poměrně malou, a dále je její vlnová funkce rušena spoustou dalších vlnových funkcí. To je ale jen praktický argument, který nepopírá fakt principiálně obrovského rozměru vlnové funkce každé částice.

Chceme-li ale hodně praktický protiargument proti mikro-charakteru této teorie, stačí se podívat na prostorové rozměry další ikony kvantové mechaniky, tzv. dvojštěrbinového experimentu (viz velmi názorné video s českými titulky níže). V něm je podle Richarda Feynmana soustředěna podivnost kvantové mechaniky nejvíce.

Jenže tento experiment nemá žádné mikrorozměry, ale je patrný prostým okem. Můžete si jej realizovat klidně sami doma a uvidíte, že není problém, aby měla významná část vlnové funkce rozměry decimetrů (viz další video níže). Částice je tedy sice opravdu nepatrná, ale podstata kvantové mechaniky, vlnová funkce, není. Nebýt totiž této funkce, nebyla by žádná tajemná kvantová mechanika, ale mikročástice by byly jen kuličky, které by se chovaly velmi podobně jako velké koule, jen by byly podstatně menší.

Lze možná namítnout, že vlnová funkce není reálný fyzikální objekt, ale pouze funkce určující pravděpodobnost výskytu částice. Ale když vidíme, jaký má tato funkce reálný vliv na chování reálné částice třeba právě ve výše popsaném experimentu, nelze ani na vteřinu pochybovat, že se za ní přinejmenším skrývá něco reálného. Matematická funkce jako abstrakce totiž nemůže ovlivnit nic reálného. Vlnová funkce nicméně popisuje to reálné, co ovlivňuje částici. Tím reálným je zřejmě de Broglieho pilotní vlna, kterou si můžeme představit v metafoře jako vlnu na vodě, na níž poskakuje částice. Tuto reálnou vlnu popisuje Schrödingerova vlnová rovnice popisuje jen deformovaně a nepřímo (viz podrobnější výklad v blogu Naučte svého psa kvantovou mechaniku).

A kdyby nám decimetry jako důkaz makrorozměrů kvantové mechaniky nestačily, což takhle tisíc kilometrů? V roce 2017 se Číňanům podařilo teleportovat vlastnosti kvantové částice ze Země na oběžnou dráhu, viz třeba článek Teleport na oběžnou dráhu. Vědcům se poprvé podařilo přenést data z povrchu Země. Vlnová funkce dvou kvantově provázaných částic měla v tomto případě významné rozměry od 500 do 1400 km. Konkrétní hodnota záležela na poloze družice.

No, a další přímo "hmatatelný" projev kvantových vlastností jsou například supratekutost (stav kapaliny, kdy je její viskozita nulová, a proto teče až neuvěřitelně snadno) či supravodivost (stav materiálu, kdy je jeho elektrický odpor nulový), jejichž "rozměry" jsou makroskopické. Běžně se v laboratořích s nimi pracuje při rozměrech obvyklého lidského světa (viz videa níže).

Video ilustrující kvantovou supratekutost, tedy sladění (koherenci) vlnových funkcí obrovského množství atomů, můžete vidět výše. Supravodivost přibližuje zase video níže.

Skoro to nakonec vypadá, že podstata kvantové mechaniky, vlnová funkce, je záležitost makrorozměrů, ale ač velká, je tak slabá, že obvykle významně ovlivňuje především nepatrné mikročástice.

P.S.: Teď mi došlo, že dalším makroprojevem kvantové mechaniky jsou spektrální čáry třeba hvězd. Tam jsou jasně vidět diskrétní čáry, které odpovídají diskrétním kvantovým skokům v elektronových obalech, viz obrázek níže.

Autor: Jan Fikáček | pondělí 26.8.2019 9:03 | karma článku: 44.41 | přečteno: 3824x

Další články blogera

Jan Fikáček

Padá pírko stejně rychle jako kus železa? Jak kde.

Když současně pustíme železnou kouli a pírko, dopadne koule dříve. Jeden nádherný a přímo geniálně prostý pokus odlišuje dva faktory, které tady působí. A může si jej vyzkoušet každý. Stačí mít doma dva skládací deštníky.

7.10.2019 v 9:07 | Karma článku: 33.85 | Přečteno: 1277 | Diskuse

Jan Fikáček

Proč v matematice nekonečno existuje a v realitě nikoliv

Vyjde-li v nějaké fyzikální rovnici nekonečno, a​ť už jsou to nekonečně malé rozměry, nekonečné síly nebo cokoliv jiného, fyzici ví, že tam dotyčná rovnice už neplatí. V realitě nekonečno zřejmě neexistuje. Ale co v matematice?

1.10.2019 v 9:08 | Karma článku: 40.52 | Přečteno: 2161 | Diskuse

Jan Fikáček

Kam směřuje(me) čas?

Chceme-li znázornit běh času, časovou osu, jak to uděláme? Většina lidí nakreslí šipku zleva doprava, jiní ale znázorní běh času opačně, někteří šipkou shora dolů. Zní to dost tajemně, ale má to poměrně velmi logický důvod.

23.9.2019 v 9:03 | Karma článku: 40.40 | Přečteno: 1955 | Diskuse

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky moderní vědy I - nekonečno

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: 41.78 | Přečteno: 2259 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Mýty kolem jaderné energetiky - problémy s jódem

V dalším díle seriálu “mýtů” se budu zabývat jódovými tabletami. Podle aktivistů jich není dost nebo nejsou uloženy tam, kde by být měly. Je to zbytečná panika? A jsou takové tablety vůbec potřeba? (délka blogu 5 min.)

14.10.2019 v 8:00 | Karma článku: 20.60 | Přečteno: 293 | Diskuse

Ladislav Jílek

Omyl nebo falzifikace? Olga Lepešinská

Vzpomínám si, že někdy v padesátých létech nám učitelka ve škole při hodině biologie říkala, že v Sovětském svazu se prý podařilo vyrobit živou hmotu.

13.10.2019 v 17:31 | Karma článku: 19.29 | Přečteno: 451 | Diskuse

Libor Čermák

Může mít prastarý symbol H archeoastronautický původ?

Zarazilo vás někdy, že v dávnověkých památkách se často objevuje symbol písmene "H"? Všiml jsem si totiž jistou souvislost s moderní kosmonautikou. Mohlo tady něco takového být už před tisíci lety?

13.10.2019 v 7:29 | Karma článku: 15.39 | Přečteno: 391 |

Dana Tenzler

Zdá se nám to, nebo vane vítr opravdu nejčastěji ze západu?

Proč se vyplatí chránit jednu stěnu domu před deštěm víc, než ty ostatní? Na vině je... jako tak často... fyzika. (délka blogu 5 min.)

10.10.2019 v 8:00 | Karma článku: 27.77 | Přečteno: 744 | Diskuse

Jan Řeháček

Matykání: vítejte ve varieté

Vektorové prostory jsou pro vybudování pojmu dimenze optimálním prostředím, ale mají jednu nevýhodu. Zdaleka ne vše kolem nás je "rovné". Aby mohli matematici propašovat dimenzi do zakřivených prostranství, vymysleli si "varietu".

9.10.2019 v 9:09 | Karma článku: 16.07 | Přečteno: 364 | Diskuse
Počet článků 155 Celková karma 41.28 Průměrná čtenost 2632

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