Dvouštěrbinový experiment: Okamžik, kdy se věda mění v magii

Každý, kdo se alespoň okrajově otřel o populární vědu, narazil na slavný "dvouštěrbinový experiment". Je to ten moment, kdy vám učitel fyziky nebo dokument na YouTube řekne, že částice (třeba elektron) projde dvěma dírami současně, chová se jako vlna, ale jakmile se na ni podíváte, "lekne se" a začne se chovat jako kulička.

Zní to jako nesmysl. A popravdě, dlouho jsem s tím bojoval i já. Jak může být jedna věc na dvou místech? Jak může "pohled" měnit realitu?

Odpověď jsem začal nacházet až ve chvíli, kdy jsem přestal brát školní modely doslova. Inspirovaly mě k tomu myšlenky fyziků, jako je například profesor Jan Rak, kteří se nebojí ptát na podstatu reality. Došlo mi, že abychom pochopili superpozici, musíme nejprve zapomenout skoro všechno, co si představujeme pod pojmem "hmota".

(Okamžik, kdy se věda mění v magii)

Povaha hmoty: Zapomeňte na kuličky, elektron není tenisák

Tady je ten největší blok v našem chápání. Když se řekne "elektron" nebo "foton", náš mozek nám automaticky nabídne obraz malé, lesklé kuličky. Něčeho pevného. Něčeho, co má jasné okraje a leží to na konkrétním místě, stejně jako tenisák na kurtu. Ostatně, tak jsme si to popisovali i v článku o cestě do nitra atomu.

Jenže v mikrosvětě to tak nefunguje.

Pokud chcete pochopit kvantový svět, musíte tento obraz "kuličky" vymazat. Zahoďte ho. Elektron není zmenšená planeta. V kodaňské interpretaci kvantové mechaniky, která mi osobně dává největší smysl pro pochopení těchto jevů, platí jedna provokativní teze: Dokud částici nezměříme, žádná "kulička" tam ve skutečnosti není.

Co tam tedy je, když ne hmota? Je tam vlnová funkce.

(Detail ruky, která se snaží uchopit kovovou kuličku, ale ta se jí mezi prsty mění v zářící energetickou mlhovinu a světelné vlny)

Vlnová funkce: Mapa možností a oceán pravděpodobnosti

Tohle je ten bod zlomu. Všichni víme, co je vlna na rybníce.
Když vidíte vlnu na vodě, vlní se molekuly vody (jdou nahoru a dolů).
Když slyšíte zvuk, vlní se vzduch (hustší a řidší místa).

V kvantové mechanice se ale v prostoru nevlní žádná hmota. Vlní se pravděpodobnost.

Představte si vlnovou funkci ne jako fyzický objekt, ale jako "tabulku možností" nebo "mapu výskytu". Tato matematická vlna nám neříká, kde částice je. Říká nám, kde všude by se mohla nacházet, kdybychom se ji rozhodli hledat.

Vlnová funkce určuje rozsah. Někde je ta vlna vysoká (tam je šance na nalezení elektronu 90 %), někde je nízká (tam je šance 1 %). Ale dokud se nepodíváme, elektron není ani vlevo, ani vpravo. Je "rozprostřený" v celé té vlně možností. To je superpozice. Není to stav "tady I tam". Je to stav "potenciálně kdekoliv v rámci pravidel".

(Abstraktní 3D vizualizace kvantové vlnové funkce)

Kolaps vlnové funkce: Jak akt pohledu tvoří realitu

Teď už dává smysl i ten záhadný "vliv pozorovatele". Nejde o to, že by lidské oko mělo magickou moc. Jde o akt měření (interakce).

Představte si to takto: Vlnová funkce je jako točící se mince na stole. Je to panna? Je to orel? Dokud se točí, je to tak trochu obojí – je to rozmazaná šmouha možností (superpozice).
Ve chvíli, kdy na minci plácnete rukou (provedete měření), pohyb ustane. Vlnění zmizí. Zůstane jen jedna konkrétní realita. Panna. Nebo orel.

V jazyce fyziky říkáme, že vlnová funkce zkolabovala.
Před měřením existovala jen "mapa pravděpodobnosti". Po měření existuje "fyzický bod". Právě proto se zdá, že se částice "zhmotní" až ve chvíli, kdy ji detekujeme. Do té doby byla jen duchem, matematickým předpisem, který čekal na svou příležitost stát se realitou.

(Vlevo se mince točí jako rozmazaná šmouha, vpravo ji ruka plácnutím zastavila a odhalila stranu s orlem. Metafora kolapsu kvantové superpozice.)

Co přesně znamená "podívat se"? (Malé, ale důležité varování)

Zde je třeba udělat malou pauzu, abychom nesklouzli k mylné představě, že vesmír čeká jen na lidské oči. Když fyzikové mluví o "pozorování" nebo "měření", nemyslí tím nutně přítomnost vědomé bytosti.

Měřením je jakákoliv nevratná interakce. Pokud k experimentu postavíme detektor nebo kameru, která záznam pořídí, vlnová funkce zkolabuje, i když v místnosti nikdo není. Stačí, aby se elektron srazil s fotonem nebo molekulou vzduchu – to je moment, kdy si vesmír "vymění informaci" a realita se ustálí.

Většina fyziků se tedy kloní k názoru, že měsíc tam je, i když se nikdo nedívá – protože neustále interaguje se slunečním světlem. Teorie o tom, že ke kolapsu je nutné přímo lidské vědomí (zmíněná v závěru), je sice fascinující filozofická možnost, ale ve světě fyziky je to jen jeden z mnoha (a spíše menšinových) pohledů na věc.

Vysvětlení experimentu: Proč vlna projde oběma dírami naráz

Když se s tímto novým pohledem vrátíme ke dvěma štěrbinám, magie zmizí a nahradí ji fascinující fyzika.

K štěrbinám nepřilétá kulička. Přilétá k nim ona "vlna pravděpodobnosti". A protože je to vlna, projde oběma dírami naráz – stejně jako by to udělala voda. Za štěrbinami se tyto dvě rozdělené vlny pravděpodobnosti srazí a vytvoří interferenci (vzájemně se ovlivní).

Na stínítko vzadu pak dopadne výsledek tohoto sčítání vln. A teprve v momentě dopadu na stínítko dojde ke kolapsu. Vlna zmizí a v jednom konkrétním bodě, který určila pravděpodobnost, se "rozsvítí" náš elektron.

Pokud bychom se ale pokusili změřit, kterou dírou elektron prošel předtím, než dopadne dozadu, uděláme to "plácnutí rukou na minci" příliš brzy. Vlnu zničíme už u štěrbiny. Elektron se musí rozhodnout hned teď. Změní se na "kuličku" a interference zmizí.

(Kvantová vlna procházející dvěma štěrbinami a tvořící interferenční vzor.)

Kvantová fyzika a vědomí: Tvoříme svět pouhou myšlenkou?

Tohle vysvětlení vychází z kodaňské interpretace a samozřejmě to není jediný pohled na věc. Je to ale pohled, který nám pomáhá zbavit se chybné intuice z našeho velkého světa.

Možná je to trochu děsivé zjištění – že realita kolem nás není tak pevná a daná, jak se zdá, ale že je spíše oceánem možností, který na sebe bere pevnou podobu až ve chvíli, kdy s ním interagujeme. Mně osobně to ale přijde krásné. Dává to vesmíru určitou hloubku a tajemství, které stojí za to zkoumat.

A tady se otevírají dveře k těm nejodvážnějším otázkám. Pokud pozorování utváří realitu na úrovni atomů, a my jsme z atomů složeni... kde je ta hranice? Existují seriózní (byť kontroverzní) teorie, které naznačují, že vědomí není jen pasivní divák, ale aktivní tvůrce reality. Že naše mysl a hmota jsou propojeny mnohem víc, než si myslíme.

(Mysteriózní scéna která symbolizuje propojení lidského vědomí a reality.)

Zajímá vás toto téma? Chtěli byste článek o tom, jak se kvantové jevy mohou promítat do fungování mozku nebo jak někteří vědci propojují fyziku s vědomím? Pokud ano, napište mi na info@tomasg.cz. Rád se do této králičí nory vydám s vámi.