«« »»

Kvantová mechanika umožňuje vidět, cítit a dotknout se částic (2. díl)

2. díl seriálu: Kvantová mechanika. Doposud vyšlo 2 dílů.

Pojďme se opět vrátit k tomu, co je kvantová mechanika a jak ji můžeme využít.

Neviditelný pohled

Dobře, tak cítíte kávu, jste téměř vzhůru. Vaše oči jsou připraveny na denní režim, mrkají a nechávají přicházet trochu světla. Když o tom přemýšlíte, tak částice světla, které vstupují na tvář a do vašich očí, vznikly před miliónem let v centru slunce, v době, kdy naši předkové začali používat oheň. Slunce by ani neposílalo částice nazvané fotony, jestliže by nebyly potřebné pro stejný jev, který by mohl být základem našeho smyslu pro pach, tedy kvantové tunelování.

Asi 150 miliónů kilometrů odděluje Slunce a Zemi, fotonům trvá jen osm minut, než překonají tuto vzdálenost. Většina jejich cesty však probíhá uvnitř slunce, kde typický foton stráví milión let a snaží se uniknout. Hmota je tak uchovávána uprostřed naší hvězdy, kde vodík je asi 13-krát hustší než olovo, a fotony mohou cestovat jen nekonečně malý zlomek sekundy předtím, než jsou absorbovány ionty vodíku, který potom vystřelí foton na cestu ze Slunce atd.. Po zhruba miliardě takových interakcí se konečně objeví foton na povrchu Slunce, které zde září již po miliony let.

Kvantová mechanika (©Jay Smith)

Fotony by nikdy nevznikly a Slunce by nezářilo, kdyby nebylo kvantové tunelování. Slunce a všechny ostatní hvězdy vytvářejí světlo jadernou fúzí, rozbíjejí vodíkové ionty a vytvářejí hélium procesem, který uvolňuje energii. Každou sekundu přemění slunce na energii asi 4 miliony tun hmoty. Pouze ionty vodíku, jako jednotlivé protony, mají pozitivní elektrické náboje a navzájem se odpuzují. Jak se tedy mohou navzájem slučovat?
Při kvantovém tunelování vlnová povaha protonů umožňuje, aby se někdy překrývaly snadno jako vlny, které se spojují na povrchu rybníka. To, že se překrývají, přivádí protonové vlny dostatečně blízko, takže další síla, jako je silná jaderná síla, která působí pouze na velmi malé vzdálenosti, dokáže překonat elektrickou odpudivost částic. Protony se pak rozpadnou a uvolní jeden foton.

Naše oči jsou na fotony velmi citlivé

Naše oči se vyvinuly tak, aby byly na tyto fotony velmi citlivé. Některé nedávné experimenty ukázaly, že dokážeme dokonce detekovat i jednotlivé fotony, což vyvolává zajímavou možnost: mohli by lidé detekovat některé zvláštní případy kvantové mechaniky? To znamená, že člověk podobně jako foton nebo elektron nebo Schrödingerova nešťastná kočka, je mrtvý a živý současně, pokud se přímo angažuje v kvantovém světě? Jak by mohla vypadat taková zkušenost?

Lidské oko

„To nevíme, protože to nikdo nevyzkoušel,“ říká Rebecca Holmesová, fyzička v Los Alamos National Laboratory v Novém Mexiku. Před třemi lety, když absolvovala studium na Illinoiské univerzitě v Urbane-Champaignu, byla Holmesová součástí týmu vedeného Paulem Kwiatem, který ukázal, že lidé dokážou odhalit krátké záblesky světla, skládající se ze tří fotonů. V roce 2016 zjistila, že konkurenční skupina vědců, vedená fyzičkou Alipašou Vaziriovou na Rockefellerově univerzitě v New Yorku zjistila, že lidé skutečně vidí i jednotlivé fotony. Vidíme však, že zkušenost nemusí být přesně popsána. Vaziriová, se sama pokusila spatřit fotonové záblesky a řekla pro časopis ‚Nature‘: „Není to jako vidět světlo. Je to téměř pocit na prahu fantazie.“

Kvantová mechanika – experimenty

V blízké budoucnosti očekávají Holmesová a Vaziriová experimenty, které otestují, co lidé vnímají, když jsou fotony vkládány do zvláštních kvantových stavů. Fyzici mohou například propojit jediný foton do toho, co nazývají superpozicí, kde existují fotony současně na dvou různých místech. Holmesová a její kolegové navrhli experiment zahrnující dva scénáře, aby otestovali, zda lidé mohou přímo vnímat superpozici fotonů. V prvním scénáři by se jeden foton dostal buď do levé nebo do pravé strany sítnice člověka, a člověk by si všiml, na které straně sítnice pocítil foton. Ve druhém scénáři by byl foton umístěn do kvantové superpozice, která by mu umožnila udělat zdánlivě nemožné – současně letět do pravé i levé strany sítnice oka.

Zjistil by člověk světlo na obou stranách sítnice? Nebo by interakce fotonu v oku způsobila, že by se superpozice ‚zhroutila‘? Pokud ano, stalo by se to stejně často jak na pravé, tak i na levé straně, jak to naznačuje teorie?

Rebecca Holmesová říká:

„Na základě standardní kvantové mechaniky, by foton v superpozici pravděpodobně nevypadal jinak, než skutečně náhodně vyslaný foton vlevo nebo vpravo.“

Pokud se ukáže, že někteří účastnící experimentu skutečně vnímali foton na obou místech současně, znamená to, že samotná osoba byla v kvantovém stavu?

Rebecca Holmesová dodává:

„Dalo by se říci, že pozorovatel byl sám v kvantové superpozici v nějaké zanedbatelně krátké době, ale nikdo to zatím nevyzkoušel, takže opravdu nevíme. To je důvod, proč takový experiment provádět.“

Vnímáte vlastním způsobem

Teď se vraťme zpět k šálku kávy. Hrnek cítíte jako pevný kus hmoty, pevně v kontaktu s kůží vaší ruky. Ale je to jen iluze. Nikdy se ničeho nedotýkáme, alespoň ne ve smyslu dvou pevných kusů hmoty, které se dotýkají. Více než 99,9999999999 procent atomu se skládá z prázdného prostoru, s téměř veškerou hmotou soustředěnou v jádru.

Kvantová mechanika (©Jay Smith)

Když držíte šálek rukama, zdá se, že jeho pevnost pochází z odporu elektronů v šálku a v ruce. Elektrony samy o sobě vůbec nemají žádný objem, jsou to jen zdánlivé nulové rozměry pole negativního elektrického náboje, které obklopují atomy a molekuly jako mrak. Zákony kvantové mechaniky je omezují na specifické hladiny energie kolem atomů a molekul. Jak ruka uchopí šálek, tlačí elektrony z jedné úrovně do druhé, a to vyžaduje energii svalů, kterou mozek interpretuje jako odpor, když se dotýkáme něčeho pevného.

Náš pocit dotyku vychází z extrémně složité interakce mezi elektrony kolem molekul našeho těla a molekul předmětů, kterých se dotýkáme. Z těchto informací vytváří náš mozek iluzi, že máme pevné tělo, které se pohybuje po světě plném jiných pevných předmětů. Dotyk s nimi nám nedává přesný pocit reality. Ke možné, že žádné z našich vnímání neodpovídá tomu, co se skutečně děje. Donald Hoffman, kognitivní neurolog z Kalifornské univerzity v Irvine věří, že naše smysly a mozek se vyvinuly tak, aby zakryly skutečnou povahu reality, a ne aby ji odhalily.

„Mojí myšlenkou je, že skutečnost, ať je jakákoli, je příliš komplikovaná, a zabere nám příliš mnoho času a energie na její zpracování.“

Srovnání obrazu světa v mozku s grafickým rozhraním v počítači

Hoffman srovnává obraz konstrukce světa v našem mozku, s grafickým rozhraním na obrazovce počítače. Všechny barevné ikony na obrazovce, jako jsou koš, ukazatel myši a složky souborů, vůbec nesouvisí s tím, co se skutečně děje uvnitř počítače. Jsou to pouhé abstrakce, zjednodušení, které nám umožňují komunikovat se složitou elektronikou.

Podle Hoffmanova pohledu změnila evoluce náš mozek tak, aby fungoval stejně jako grafické rozhraní, které nereprodukuje svět zcela věrně. Evoluce nepodporuje vývoj přesného vnímání, využívá jen to, co umožňuje přežití.

Jak Hoffman říká:

„Forma vládne nad skutečností.“

Hoffman a jeho postgraduální studenti v posledních letech zkoušeli stovky tisíc počítačových modelů, aby otestovali své nápady, v simulacích umělých životních forem, soutěžících o omezené zdroje. V každém případě jsou organismy naprogramované tak, aby upřednostňovaly fyzickou zdatnost, když se skutečností se nevyrovnají ty, které jsou zhotoveny k přesnému vnímání.

Například, pokud je jeden organismus konstruován tak, aby přesně vnímal, například, celkové množství vody přítomné v prostředí, a narazí na organismus, který je naladěn tak, aby vnímal něco jednoduššího, např. optimální množství vody potřebné k tomu, aby zůstal naživu. Takže zatímco jeden organismus by mohl vytvářet přesnější podobu reality, tato vlastnost nezvyšuje jeho schopnost přežití. Hoffmanovy studie ho vedly k pozoruhodnému závěru:

„V té míře, ve které jsme naladěni na udržení života, nebudeme naladěni na realitu. Nemůžeme to totiž udělat.“

Kvantová teorie

Jeho myšlenky se shodují s tím, co někteří fyzici považují za ústřední myšlenku kvantové teorie – vnímání skutečnosti není zcela objektivní, nemůžeme se oddělit od světa, který pozorujeme.

Hoffman tento pohled plně zachycuje:

„Prostor je jen datová struktura, a fyzické objekty jsou samy o sobě datovými strukturami, které vytváříme za letu. Když se podívám na nějaký kopec, vytvořím tuto datovou strukturu. Pak se podívám jinam a rozbil jsem tuto datovou strukturu, protože ji už nepotřebuji.“

Jak ukazuje Hoffmanova práce, ještě jsme se nezabývali úplným významem kvantové teorie a tím, co říká o povaze reality. Planck sám se po většinu svého života snažil porozumět teorii, kterou pomohl vytvořit a vždy věřil v objektivní vnímání vesmíru, který existuje nezávisle na nás.

Kdysi napsal o tom, proč se rozhodl věnovat se fyzice, proti radám svého učitele:

„Vnější svět je něco nezávislého na člověku, je to něco absolutního a hledání zákonů, které se na toto absolutno aplikují, se mi zdálo jako nejvznešenější vědecké prožívání života.“

Možná to bude trvat další století, než další revoluce ve fyzice prokáže, zda měl pravdu nebo se mýlil, jako jeho profesor Philip von Jolly.

Líbí se vám článek? Podpořte, prosím, překladatele v další práci a nastavte trvalý příkaz na transparentní účet: 2900794933/2010. Platby ze zahraničí IBAN: CZ8920100000002900794933, SWITFT: FIOBCZPP. Do zprávy pro příjemce uveďte prosím "DAR" a název článku nebo vyplňte VS: 28575 a SS: 100.

Napsat komentář