(Napadlo mi, či to Einstein nezobral z Berkleyho filozofie, ktorý povedal, že byť znamená byť vnímaný)
Reč bude o kvantovej mechanike. To je ale trúfalosť, pomyslíte si, tak tento tu rozumie aj kvantovej mechanike? Nie som fyzik a je to výhoda, lebo aj keby som sa mýlil, tak stále môžem povedať, že moje vysvetlenie odráža skôr zvedavý pohľad laika. Poďme sa teda spolu čudovať, lebo oblasť kvantovej mechaniky je čudo samo.
Na internete je o tejto téme veľa informácií, článkov a videí od ľudí, ktorí sú skôr menej ako viac v obraze, lebo ako povedal o fascinujúcom svete kvantovej mechaniky Richard Feynman, nositeľ nobelovej ceny: "Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej mechanike, tak jej nerozumiete." A keďže som si istý, že jej nerozumiem, som na dobrej ceste!
Kedysi sme sa učili že elektróny obiehajú okolo jadra atómu ako planéty okolo slnka. To už neplatí. Je zaujímavé aké "pravdy" prestávajú platiť počas jedného ľudského života. Vedecké objavy sú vlastne cintorínom definitívnych odpovedí. Tak aká je predstava vedcov v súčasnosti.
To, že jadro atómu sa skladá z protónov a neutrónov stale platí, ale že elektróny obiehajú okolo neho, to už nie. V skutočnosti sa elektrón nenachádza na žiadnom konkrétnom mieste - namiesto toho existuje ako "oblak pravdepodobnosti" nazývaný orbitál. Tento oblak nám ukazuje, kde je elektrón najpravdepodobnejšie nájdený, ak by sme ho merali.
Máme si to predstaviť takto: keby sme mohli odfotiť pozíciu elektrónu tisíckrát za sebou, dostali by sme tisíc bodiek roztrúsených v priestore okolo jadra. Hustota týchto bodiek by vytvorila tvar orbitálu - tam, kde je bodiek veľa, je vysoká pravdepodobnosť nájdenia elektrónu, tam kde ich je málo alebo žiadne, je pravdepodobnosť nízka.
Orbitály majú rôzne tvary:
- s-orbitály sú sférické (ako futbalová lopta)
- p-orbitály majú tvar činky alebo osmičky
- d-orbitály majú zložitejšie tvary
Elektrón teda "neobieha" - namiesto toho existuje simultánne vo všetkých bodoch orbitálu s rôznou pravdepodobnosťou. Toto je jeden zo základných princípov kvantovej mechaniky - častica (v tomto prípade elektrón) nemá definovanú pozíciu, kým ju nezmeriame.
Kde sa teda pred meraním nachádza? Nie je to len o tom, že nevieme, kde je - on skutočne neexistuje na konkrétnom mieste. Elektrón je v stave tzv. "superpozície" - existuje vo všetkých možných pozíciách súčasne, každá s určitou pravdepodobnosťou. Je to ako keby elektrón bol "rozmazaný" v priestore namiesto toho, aby bol v jednom konkrétnom bode.
Je to podobné ako keby ste sa spýtali: "Aká je farba svetla, keď sa naň nikto nepozerá?" Svetlo môže byť súčasne všetkými farbami (vlnovými dĺžkami), až kým ho nezmeriame.
A aby to bolo ešte bizarnejšie, nemáme si elektrón predstavovať ako keby putoval z bodu A do bodu B alebo by skákal okolo jadra. Lepšie by bolo povedať, že elektrón "existuje ako pravdepodobnostné pole", alebo "je rozprestretý v priestore". V každom okamihu je prítomný vo forme pravdepodobnostnej vlny vo všetkych bodoch orbitálu súčasne.
A tu prichádza tá neuveriteľná vec. Keď ho zmeriame, táto vlna sa "zrúti" do jedného konkrétneho bodu - ale pred meraním nebol na ceste k tomuto bodu, ani tam "nebol už predtým".
Je to fundamentálne odlišné od našej každodennej skúsenosti s objektmi, ktoré majú vždy nejakú konkrétnu pozíciu. Tu sa mi vynára spomienka na filozofiu Immanuela Kanta a jeho teóriu poznania. Kant hovoril o našich "apriórnych formách nazerania" – teda o štruktúrach nášho mozgu, ktoré určujú, ako vnímame svet. Priestor a čas nie sú podľa neho vlastnosti vonkajšej reality, ale spôsoby, akými náš rozum organizuje skúsenosť. Takí sme. To sú naše "ružové okuliare", ktoré máme nasadené a ktoré nám ukazujú, že jedna a tá istá vec nemôže byť zároveň na rôznych miestach. Ale v kvantovej fyzike môže.
A možno vám napadne sa spýtať: čo znamená to meranie, to vystrelím nejaký lúč fotónov a zostrelím ten elektrón takpovediac z oblohy? Odpoveď je áno, meranie elektrónu skutočne vyžaduje interakciu s fotónmi alebo inými časticami, a práve to má zásadné dôsledky.
Predstavme si, že chceme zmerať pozíciu elektrónu pomocou svetla (fotónov): aby sme videli malé objekty, potrebujeme krátke vlnové dĺžky svetla, ale fotóny s krátkou vlnovou dĺžkou majú vysokú energiu podľa vzťahu E(energia fotónu)=h x f, kde h je Planckova konštanta a f je frekvencia. Keď fotón interaguje s elektrónovou vlnou, spôsobí kolaps vlnovej funkcie - elektrón sa "objaví" na konkrétnom mieste s určitou hybnosťou.
Paradox merania:
- Ak použijeme "jemné" fotóny (nízka energia), elektrónu veľmi neublížime, ale nedostaneme presné informácie o jeho pozícii
- Ak použijeme "tvrdé" fotóny (vysoká energia), získame presnejšie informácie o pozícii, ale elektrónu zmeníme hybnosť
Toto je Heisenbergov princíp neurčitosti v praxi - nemôžeme súčasne presne zmerať pozíciu aj hybnost elektrónu. Meranie elektrónu je skutočne ako bombardovanie - vždy ho nejako poškodíme alebo zmeníme. Nie je možné ho "diskrétne pozorovať" bez toho, aby sme naň nejako pôsobili.
Preto sa hovorí, že v kvantovej mechanike samotný akt merania mení systém. Nie je to len technický problém, ktorý by sa dal vyriešiť lepšími prístrojmi - je to fundamentálne obmedzenie prírody.
Okamžite mi napadá cely rad otázok: a kde presne mám zamerať to fotónové delo. Na atóm (?), alebo na ten pravdepodobnostný vlnový oblak (?) To je otázka, ktorá odhaľuje absurdnosť situácie! Problém je v tom, že nemôžeme "zamieriť" na konkrétne miesto, pretože:
1. Elektrón nie je "tam" - pravdepodobnostný oblak nie je mapa toho, kde elektrón "skutočne je", ale kde ho môžeme nájsť pri meraní
2. Fotón tiež nevieme presne namieriť - aj fotón sa správa kvantovo, takže ani on nemá presnú trajektóriu
Čo sa to teda v skutočne deje:
Vystrelíme fotón smerom k atómu (nie k "miestu elektrónu"), fotón interaguje s elektrónovou vlnou v celom priestore súčasne, pri detekcii sa vlnová funkcia "zrúti" a elektrón sa "zmaterializuje" na konkrétnom mieste. Až vtedy vieme, kde elektrón "bol" (vlastne kde sa práve objavil)
Je to ako strieľanie do tmy na neviditeľný terč. Nevidieť na terč pred výstrelom, ale keď guľka narazí, terč sa rozsvietí na tom mieste, kde ho zasiahla. Nemôžeme povedať, že terč "bol" na tom mieste pred výstrelom - objavil sa tam až pri zásahu.
Paradox merania: Meranie nevytvára len "snímku" reality - meranie spolu s realitou vytvára výsledok. Pred meraním niet čo merať, lebo konkrétna pozícia neexistuje. Preto sa kvantová mechanika zdá taká absurdná - porušuje našu intuíciu o tom, že objekty majú vlastnosti nezávisle od toho, či ich pozorujeme.
Ak ste sa dočítali až sem, tak vám určite napadá otázka: No a teraz mi povedz čo je to hmota veď je to absurdné!
Presne! Teraz ste sa dostali k jadru problému. Hmota je skutočne absurdná, keď sa na ňu pozrieme zblízka. Klasická predstava hmoty je iluzórna:
- Myslíme si, že hmota sú "tuhé objekty" - ale atóm je z 99,9999% prázdne miesto. Predstavujeme si častice ako malé guličky - ale elektrón môže byť súčasne na viacerých miestach. Častice jadra atómu (protóny, neutróny) sú zložené z kvarkov, ktoré nemôžeme nikdy izolovať, lebo držia spolu silou, ktorá je silnejšia, čím viac ich rozťahujeme.
Moderná fyzika hovorí, že hmota sú vlastne "excitácie" (vzruchy) vo fundamentálnych poliach. Elektrón nie je guľôčka, ale "vlnenie" v elektrónovom poli. Je to ako vlna na vode - vlna "existuje", ale nie je to žiadna konkrétna vec. Čo je teda "skutočné"?
Energia? Informácia? Pravdepodobnosti? Matematické vzťahy? Hmotnosť vzniká z interakcií s Higgsovým poľom To, čo vnímame ako "pevné", sú elektromagnetické sily medzi atómami.
A vysledkom je absurdnosť každodennej skúsenosti.
Keď sa dotkneme stola, nedotýkame sa "hmoty" - to sa elektróny v našich prstoch odpudzujú od elektrónov v stole. Nikdy sa skutočne ničoho nedotkneme.
Hmota je spôsob, ako si náš mozog organizuje vnemy. Fundamentálne sú to len polia, energie a pravdepodobnosti. "Tuhosť" a "objekt" sú len užitočné ilúzie, ktoré nám pomáhajú prežiť. Opäť myslím na Kanta.
Chudáci fyzici, musia byť riadne frustrovaní a zmätení. A čo už len my. Fyzika nám ukazuje, že realita je oveľa čudnejšia než naše intuície.
Záver
Na čo sme teda prišli, potom čo sme nahliadli do samých základov hmoty? Čo sme, my ľudia? Sme iba biologické stroje, alebo niečo viac? Ak kvantová mechanika hovorí, že pozorovanie vytvára realitu, tak možno vedomie nie je produkt mozgu, ale mozog je jeden zo spôsobov, ako sa vedomie organizuje v hmote. Ak kvantový svet existuje v "superpozícii možností", až kým ho nepozorujeme, neplatí to aj pre nás? Sme my, pozorovatelia, tiež len "vlnovou funkciou", ktorá sa zrútila do biologických telies? A ak áno, čo potom pozoruje vesmír, keď sa naň nepozeráme?
