Pátek 24. ledna 2020, svátek má Milena
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Pátek 24. ledna 2020 Milena

Nevědecké pohádky moderní vědy III - "náboženství" Schrödingerovy kočky

10. 12. 2019 8:09:05
Některé možná překvapí, že Schrödinger svoji kočku vymyslel proto, aby ukázal, že výklad kvantové mechaniky obsahující neurčitost, například v podobě částice v superpozici neboli její přítomnosti tak nějak všude, není správný.

V klasické mechanice je poloha částice určena jednoznačně. Stačí mít tři prostorové souřadnice a jednu časovou, a máme její polohu jednoznačně jasnou. Když třeba víme, že kulička je na podlaze (výšková souřadnice) a v rohu místnosti (další dvě prostorové souřadnice), a to právě teď (časová souřadnice), víme vše, co potřebujeme vědět.

V současném převládajícím pojetí kvantové mechaniky tomu tak ale není a poloha částice je určena tzv. vlnovou funkcí, která je rozprostřena v celém prostoru, jde tedy až do "nekonečna". Částice se tedy může vyskytovat naprosto kdekoliv, i když na různých místech s různou pravděpodobností, a dokud není pozorována, vyskytuje se dokonce všude najednou. Tomu se říká superpozice polohy částice. Rozmazanou polohu částice si můžeme ukázat například na obrázku níže na příkladu elektronu. Tento obrázek ovšem znázorňuje pouze oblasti polohy elektronu, kde je elektron v atomu vodíku s největší pravděpodobností. Vlnová funkce tohoto elektronu jde ale matematicky až do nekonečna (i když toto "nekonečno" je jen aproximace, zjednodušení, a to už proto, že náš vesmír musí být konečný, což vyplývá z principu neexistence nekonečna, nad kterým si můžeme zapřemýšlet třeba v textu Proč v matematice nekonečno existuje a v realitě nikoliv).

U Schrödingerovy kočky nejde hlavně o superpozici polohy kočky, i když i její poloha je v superpozici, neboť záleží třeba na tom, kdy byla kočka zabita kyanidem a kde se v tu chvíli nalézala, nebo kam zalezla jako živá, tedy její poloha může být kdekoliv v krabici (a dokonce i mimo ni, neboť kvantová mechaniku dovoluje s nenulovou pravděpodobností tzv. tunelování, tedy průchod objektů skrze pevné překážky). Ale jde tu o superpozici jejího stavu živá - mrtvá.

Předpokládám ale, že znáte podstatu tohoto myšlenkového pokusu, která spočívá v tom, že kočka je uzavřena v neprůhledné krabici spolu s radioaktivním zářičem a čidlem radioaktivity, které když radioaktivitu zaregistruje, rozbije ampulku s cyankáli, a kočku zabije. Protože nelze určit dobu rozpadu radioaktivního atomu a známe tedy jen pravděpodobnost, že bude radioaktivní částice do čidla vyslána, je podle většinou uznávané interpretace kvantové mechaniky kočka v superpozici stavů živá - mrtvá. A to až do otevření krabice, tedy do pozorování, které superpozici zničí, což znamená že při němž okamžitě zkolabuje zmíněná vlnová funkce na obrázku neboli tato funkce zmizí (a to nekonečnou rychlostí v celém vesmíru, což je velmi podivné). Pokud byla kočka při otevření živá a krabici zase zavřeme, vlnová funkce se znovu objeví, ...což je snad ještě nelogičtější.

Schrödinger svou kočkou předvedl, že pravděpodobnostní pojetí kvantové mechaniky není správné, protože aby byla kočka současně živá i mrtvá prostě není možné. Můžeme si dělat z toho dál legraci a můžeme uvažovat, že kdyby taková superpozice mrtvá - živá byla možná, mohli bychom prostě tím, že krabici 1000 let neotevřeme, kočce o těchto 1000 let život prodloužit (viz text Jak prodloužit život vaší (Schrödingerově) kočce o 1000 let). Kočka když není živá, ale je současně živá i mrtvá, nemůže přece umřít, neboť jedině objektivně zcela živá kočka může opravdu umřít.

Jaké je tedy správné řešení Schrödingerovy kočky? Velmi prosté. Ona superpozice stavů reálně neexistuje, je to jen naše neznalost. Kočka je vždy buď mrtvá nebo živá, my to jen nevíme. To lze dokázat tak, že do krabice ke kočce dáme nějakého člověka (raději s plynovou maskou), tedy dalšího pozorovatele. Pro něj bude kočka vždy jednoznačně živá nebo mrtvá, nikdy ne obojí. Ale pro nás, kdo koukáme na krabici z vnějšku, má být kočka v superpozici živá - mrtvá. Odsud je jednoznačně jasné, že superpozice je subjektivní, záleží na tom, co pozorovatel o kočce ví, tedy superpozice objektivně neexistuje. Je to jen naše neznalost, která je způsobená tím, že neznáme všechny faktory, které situaci ovlivňují (neznáme tzv. pilotní vlnu která také působí na radioaktivní atom a spolurozhoduje o tom, jestli a kdy se radioaktivní atom rozpadne - o pilotní vlně píšeme později).

Jen technicky poznamenejme, že neexistence jiné superpozice, a to superpozice polohy částice, nemusí nutně znamenat zcela jednoznačnou polohu reálné částice. Částice může být například ve stavu virtuální částice, tedy jakési proto částice, která se "materializuje" a stane reálnou částicí až při oné hrubé interakci, kterou je na kvantové úrovni třeba pozorování fotonem světla.

Dalším argumentem proti superpozici živá - mrtvá je, že superpozici nemůžeme nijak přímo pozorovat. Máme ji jako matematickou funkci, ale když se na ni pokusíme podívat v realitě, hned zmizí. Principiálně nejde najít tutéž částici na několika místech současně. Vždy ji najdeme jen na jednom místě. Superpozice je tak jako bílá paní. Nikdo ji nikdy neviděl a klasický výklad kvantové mechaniky dokonce má za to, že je principiálně nepozorovatelná. V tom případě je ale její existence netestovatelná, a pak to není dokonce ani není vědecký pojem. Zdá se, že tady uprostřed vědy sídlí esoterika.

Ono ta esoterika je totiž tak lákavá a tajemná. Asi to vychází z konstrukce lidské psychicky, že tajemno a nepochopitelno v nás vzbuzují až "náboženské" pocity okouzlení. Asi je to tak, že když nemůžeme něco pochopit, nějakou racionální překážku překonat, mozek se snaží stimulovat svůj výkon k jejímu překonání produkcí interní drogy (endorfinu či nonkefalinu, či která to je). Tato "droga" ale vzbuzuje velmi povznesenou náladu. Je to vlastně takové "náboženství" Schrödingerovy kočky, ve kterém se člověk nechává unášet příjemnými pocity tajemnosti a nevadí mu, že toto pojetí nedává dobrý logický smysl. S vědou to ale nemá nic společného. :-)

Toto "náboženství" se stává ještě "náboženštější" tím, že někteří do něj zatahují vědomí pozorovatele tak, že vykládají, že dokud vědomí pozorovatele nezjistí stav kočky v krabici jejím otevřením, kočka bude ve zmíněné superpozici. Proto je vhodné upozornit, že pozorování je fyzikální akt, například "odražení" fotonu od pozorovaného objektu. V tom případě je ale pozorovatelem už čidlo radioaktivity v krabici a nemá smysl zkoumat, jak to vidí někdo, kdo má podstatně méně informací, neboť není "u toho". Kdybyste byli v neznámém městě a chtěli byste se zeptat na cestu, ptali byste se raději někoho, kdo město vůbec nezná nebo někoho, kdo v něm žije a má o něm podrobné informace? Nemá smysl zjišťovat informace u toho, kdo ví méně. A i když se budeme zajímat o pohled neznalého, pozorovatele vně krabice, informace o stavu kočky je objektivně stále k dispozici uvnitř krabice, třebaže ji vnější pozorovatel nemá.

A kdyby dal někdo především na autority, tak z těch nejznámějších, kteří odmítali pravděpodobnostní chápání kvantové mechaniky to byl právě nositel Nobelovy ceny Erwin Schrödinger, který formulovat Schrödingerovu rovnici, tedy základní matematický aparát kvantové mechaniky. Dále pak Albert Einstein (který mimochodem nikdy neříkal, že kvantové provázanost neexistuje, jak se traduje, ale tvrdil, že buď je kvantová mechanika lokální, tedy provázanost není, nebo je pravděpodobnostní pojetí kvantové mechaniky neúplné, což se potvrdilo).

Pak to byl John Bell, který logicky předvedl, že kvantová provázanost skutečně funguje, což bylo následně experimentálně ověřeno. Zmíněný Bell byl zastáncem tzv. pilotní vlny a odmítal pravděpodobnostní pojetí kvantové mechaniky, a o onom pravděpodobnostním pojetí dokonce prohlásil, že jím Bohr a Heisenberg vymyli fyzikům mozky. Dalším byli nositel Nobelovy ceny Louis de Broglie, který jednoduše tvrdil, že kromě částic existuje pilotní vlna, jejíž vliv se projevuje pro nás v podobě superpozice. A nakonec David Bohm, který toho Louisovo pojetí zdokonalil. Jak může fungovat taková pilotní vlna, která zcela prostě vysvětluje prakticky všechny zvláštnosti kvantové mechaniky, můžete vidět na videu níže alespoň v názorné metafoře:

S použitím představy pilotní vlny, která je metaforicky znázorněna ve videu, lze superpozici tedy vysvětlit poměrně snadno. Částice je ovlivňována vlněním pilotní vlny, takže je její poloha dána nejen samotnou částicí, ale i vlivem pilotní vlny. Protože ale pilotní vlnu samotnou neznáme, umíme popsat pouze nepřímo a pravděpodobnostně její vliv na pohyb částice. Dá se předpokládat, že pozorování, tedy třeba "úder" fotonu, pozorovanou částici "utrhne" od pilotní vlny a tím zruší její pravděpodobnostní chování, které je způsobeny "nárazy" pilotní vlny.

Je zábavné, že i kvůli přijetí nesmyslné pravděpodobnostní interpretace kvantové mechaniky byl dokonce vymyšlen racionalizační trik, jak vyřadit ze hry logické uvažování. (Racionalizace je v psychologii postup, kdy se k ospravedlnění nelogické emoční reakce dodatečně vymyslí rozumový důvod.) Začalo se říkat, že tady přestává platit zdravý selský rozum, čímž se vlastně říká, že prosté logicky konzistentní řešení je naivní hloupost a ti, kdo ho prosazují, nepronikli do tajemství kvantové mechaniky. Takto se nesmyslný pravděpodobnostní výklad označil za ten pravý, a to právě proto, že mu nikdo nerozumí, přestože už od roku 1925 existovalo snadno pochopitelné de Broglieho řešení, a to že současně existuje částice i pilotní vlna. Když se přístup "Mlč a počítej!", který odmítá uvažování nad interpretacemi kvantové mechaniky, bere jako praktické řešení, nelze proti němu nic namítat. Jakmile se ale začne brát jako principiální řešení, které bere pravděpodobnostní interpretaci za konečné řešení problému, je to už přístup nevědecký, neboť je to vlastně tvrzení, že dané chápání nelze zpochybnit, což odporuje Popperovu kritériu vědeckosti, tedy falsifikaci, nutnému zpochybnění každého řešení.

Jak je ale možné, že korektní a prosté řešení de Broglieho a Bohma bylo vytlačeno ze hry, a nesmyslné chápání převládá už přes 90 let? Tady může napomoci údiv Thomase Kuhna, který se ve své proslavené knize Struktura vědeckých revolucí podivuje nad tím, jak mohl takový génius jako Aristoteles, věřit tak naivnímu názoru, že těžká tělesa tíhnou k zemi a popírat tím princip setrvačnosti. Kuhn to vysvětluje zažitým myšlenkových schématem, paradigmatem myšlení, které omezuje v určitých směrech uvažování. On pravděpodobnostní výklad kvantové mechaniky je speciální myšlenkový svět, který má svoji logiku a místy i pseudologiku. A je nesmírně těžké z něj i jen vybočit, když jste na něj celý život zvyklí.

Proč ale vůbec tento neúplný popis převládl a je mnohými pokládán za finální chápání reality? Byly to zřejmě způsobeno tím, že úplný popis kvantové mechaniky, včetně zmíněné pilotní vlny, je velmi obtížný. Ona pilotní vlna je zřejmě vícerozměrná a tím velice těžko matematicky popsatelná. Obtíže jejího popisu mohou naznačit velké potíže při popisu strunové M-teorie či matematické formulaci smyčkové kvantové gravitace, což jsou právě dnes nejnadějnější pokusy o překonání současné kvantové mechaniky. Proto byl naprosto logicky nejdříve zformulován zjednodušený, neúplný, a tedy pravděpodobnostní trojrozměrný model v podobě Schrödingerovy rovnice. Tento matematický aparát ale nemohl být prakticky použit bez celkového rámce chápání, neboť nikdo netušil, jak matematický aparát použít. I proto byla vytvořena pravděpodobnostní tzv. Kodaňská interpretace, která sice logicky dosti nesprávně, přesto ale obstojně vytváří ucelený pohled na kvantový svět. Tento pokřivený, stále však obstojně fungující model teprve dovolil praktické výpočty a odstartoval tak obrovský praktický úspěch kvantové mechaniky. Tento úspěch se přenesl i na Kodaňskou interpretaci, která začala být pokládaná za tu správnou.

Ono, když se budeme dívat na svět přes tvary deformující brýle, stejně budeme moci vytvořit jeho celkový model i matematický model, a oba budou svět dobře popisovat, předpovídat události, třebaže budou deformované. A nakonec jen poznamenejme, že správná matematika kvantové mechaniky bude fungovat zcela stejně, ať použijeme jakoukoliv jinou ze zhruba stovky interpretací kvantové mechaniky. Kodaňská interpretace tedy vlastně vůbec není potřeba. Prosadila se jen jako historicky první, a to kvůli tomu, že je neúplná, a že se tedy omezila pouze na popis pozorované části kvantové mechaniky, což byl daleko snadnější úkol než popisovat úplný model, včetně pilotní vlny. Kdybychom třeba chtěli popsat do detailu hod kostkou, bylo by to tak komplikované zejména proto, že bychom museli velmi přesně změřit spoustu vlivů. Třeba extrémně přesně znát úhel dopadu kostky na její kulatý roh, což rozhoduje o dalším odrazu. Jediná prakticky schůdná cesta je všechny tyto detaily opominout a pouze statisticky vyjádřit pravděpodobnost dopadu toho kterého čísla. Podobně jednoduché je opominout pilotní vlnu a jen statisticky vyjádřit její vliv, neboť rovnici pilotní vlny neznáme. A tak funguje současný matematický model kvantové mechaniky.

A bude-li někdo namítat, že i pilotní vlna je nepozorovatelná, jak jsme to prohlašovali o superpozici, a vidíme jen její důsledky, je možné opáčit, že stejně nevidíme ani gravitační pole, ale jen jeho důsledky. Ono je to zřejmě jen otázku času, kdy pilotní vlnu objevíme a popíšeme.

Trochu to dnes připomíná situaci před prosazením heliocentrické představy sluneční soustavy. Dokud se třeba mělo za to, že Slunce je obíháno planetami v kružnicích, byl heliocentrický systém daleko méně přesný než fyzikálně nesmyslný Ptolemaiovský geocentrický model se svými epicykly. Bylo ale jen otázkou dalšího výzkumu a zpřesňování modelu, aby heliocentrický systém ten Ptolemaiův překonal.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Chcete-li si přečíst i předchozí díly seriálu Nevědecké pohádky moderní vědy, můžete to udělat zde:

Nevědecké pohádky moderní vědy I - nekonečno
Nevědecké pohádky moderní vědy II - kvantové paralelní vesmíry s kopiemi nás samých
Autor: Jan Fikáček | úterý 10.12.2019 8:09 | karma článku: 44.21 | přečteno: 2756x

Další články blogera

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky vědy IV - negativní energie

Geniální fyzik na vozíčku, Stephen Hawking uvažoval o tom, že náš vesmír vznikl z ničeho, a to tak, že se nic polarizovalo na stejná množství negativní a kladné energie. Opravdu je taková představa smysluplná?

21.1.2020 v 9:17 | Karma článku: 34.65 | Přečteno: 1339 | Diskuse

Jan Fikáček

Je homosexualita evoluční výhoda?

Jsem člověk, kterého iritují nevyřešená záhady. Jednou z nich pro mě je (či byla) otázka, proč evoluce neeliminovala homosexualitu, když se zdá nevýhodná pro další zachování genů, či druhů. (Délka blogu 1 minuta.)

12.1.2020 v 19:34 | Karma článku: 38.66 | Přečteno: 2334 | Diskuse

Jan Fikáček

Je skutečnost jen úporný předsudek? A co to vlastně je?

Albert Einstein napsal ve svém kondolenčním dopise k úmrtí přítele Bessa, že: "Minulost, přítomnost a budoucnost jsou jen iluze, ačkoli velmi úporné." Spíše tím básnicky vyjádřil své emoce než že by to bylo jeho vědecké tvrzení.

7.1.2020 v 15:26 | Karma článku: 42.10 | Přečteno: 2064 | Diskuse

Jan Fikáček

Opravdu měří atomové hodiny čas tak přesně? A měří vůbec čas?

Občas se můžeme v médiích dočíst, že atomové hodiny měří čas úžasně přesně. Na druhé straně je celkem jasné, že nikdo vlastně neví, co to čas je. Jenže jak je možné měřit přesně, když vlastně nevíme, co měříme? To je podivné, ne?

29.12.2019 v 18:03 | Karma článku: 44.63 | Přečteno: 2649 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Co se děje s hvězdou Betelgeuze?

Dožijeme se v blízké době výbuchu supernovy? Změny, pozorované poslední dobou u hvězdy Betelgeuze. (délka blogu 3 min.)

23.1.2020 v 8:00 | Karma článku: 28.09 | Přečteno: 629 | Diskuse

Karel Tejkal

Turínské plátno a dědičnost krevních skupin

Jednou za uherský rok navštívím kontrarevoluční magazín Petra Hájka. To je ten pán, co nepochází z opice. Zaujal mne zde článek "historika a publicisty" Radomíra Malého dokazující údajnou pravost Turínského plátna.

21.1.2020 v 19:13 | Karma článku: 17.01 | Přečteno: 718 | Diskuse

Jan Fikáček

Nevědecké pohádky vědy IV - negativní energie

Geniální fyzik na vozíčku, Stephen Hawking uvažoval o tom, že náš vesmír vznikl z ničeho, a to tak, že se nic polarizovalo na stejná množství negativní a kladné energie. Opravdu je taková představa smysluplná?

21.1.2020 v 9:17 | Karma článku: 34.65 | Přečteno: 1339 | Diskuse

Ondřej Klofáč

Další prvenství českých vědců

Po úspěchu českých hlaviček, které za víkend naprogramují e-shop na dálniční známky za 401 milionů Kč hlásí další vítězství české ručičky.

20.1.2020 v 14:37 | Karma článku: 17.62 | Přečteno: 964 | Diskuse

Dana Tenzler

Proč se nevyrábějí modří gumoví medvídci?

Všimli jste si, že v balíčku gumových medvídků nikdy nejsou modrá zvířátka? Proč se nevyrábějí modří gumoví medvídci? (délka blogu 3 min.)

20.1.2020 v 8:00 | Karma článku: 32.47 | Přečteno: 1621 | Diskuse
Počet článků 170 Celková karma 42.00 Průměrná čtenost 2771

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