Kvantová mechanika: Sto let podivuhodného světa
„Co vlastně tím myslíte?“ tázal se Niels Bohr své bystré, zvídavé 23-letého žáka.
Před sto lety se dánský fyzik Niels Bohr a jeho žák, německý fyzik Werner Heisenberg, hodiny procházeli Dyrehaven a podél Øresundu a snažili se vysvětlit podivné chování atomů, které fyzikové studovali v laboratořích. V té době fyzikové věřili, že atom je jako malé sluneční soustavy – s hustým jádrem ve středu a elektrony obíhajícími kolem něj.
Na přelomu století navrhl Max Planck, že energie existuje v malých paketech. Matematická myšlenka, kterou vymyslel k vysvětlení svých experimentálních výsledků. Albert Einstein poté tuto myšlenku rozšířil a argumentoval, že světlo samotné přichází v balíčcích, nebo „kvantech“.
Díky tomuto novému pohledu použil Niels Bohr svou intuici k nalezení pravého vnitřního fungování atomu. Nesouhlasil s tím, že elektrony jsou jako planety obíhající kolem Slunce – nepohybují se v hladkých kruzích. Místo toho se z jedné úrovně ztrácejí a náhle objevují na jiné, kde vyzařují (nebo absorbují) světlo. V té době se myšlenka zdála fyzikům absurdní a neexistovala žádná teorie, která by vysvětlila takové chování.
Nikoliv tedy překvapením, že Bohr a Heisenberg nadále diskutovali o tom, jak vytvořit novou teorii, která by mohla vysvětlit podivné chování atomů. Jejich dlouhé procházky a intenzivní diskuse poznamenaly začátek toho, čemu nyní říkáme kvantová mechanika – teorie, která letos slaví 100 let.
Adventní kalendář o kvantové mechanice
Tento článek je prvním ze čtyř v adventním kalendáři, který oslavuje stoleté výročí kvantové mechaniky. Každou neděli až do Vánoc vás vědci z Niels Bohr Institutu na Kodaňské univerzitě zavedou do podivuhodného a mystického světa kvant.
V sérii se můžete dozvědět více o nejúžasnějších experimentech kvantové fyziky a o dánské kvantové počítačové technologii Magne. A samozřejmě, jeden z vědců také vysvětlí, co to vlastně kvantová mechanika je.
Raný vývoj kvantové mechaniky
Kromě boje o vysvětlení tajemného chování přírody se Heisenberg potýkal s intenzivní pylovou alergií. Proto odcestoval na odlehlý ostrov Helgoland v Severním moři, kde našel klid a soustředění. Tam by měl Heisenberg konečně položit základní kameny matematické teorie, která by mohla vysvětlit zákony v mikroskopickém světě: kvantovou teorii.
„Napsal jsem šílený článek,“ měl Heisenberg údajně říci Maxu Bornovi, svému vedoucímu v Göttingen, který pomohl utvořit Heisenbergovu novou myšlenku. Jen pár měsíců později vytvořili první formulaci nové teorie.
Heisenbergova původní myšlenka byla popisovat přírodu pouze pomocí toho, co můžeme vidět. Podle tohoto pohledu nesledujeme, kde se částice „skutečně nachází“, ale pracujeme přímo s tím, co můžeme měřit v laboratoři: energií částice, frekvencemi světla, které vyzařuje, nebo tím, jak ovlivňuje jiné částice. Pouze fakta, která vidíme, se započítávají do teorie. Realita je v tomto pohledu založena na pozorováních.
Jak se kvantová mechanika propojila s naším chápáním přírody
V přibližně stejnou dobu vyvinul rakouský fyzik Erwin Schrödinger odlišný, ale obdobný přístup. Byl založen na skutečnosti, že světlo se chová jako vlna, což dává intuitivnější představu o chování atomů. Místo toho, aby se zaměřoval pouze na měřitelné veličiny, představil si částice jako hladké vlny rozprostřené prostorem. Vlny, které nikdy přímo nevidíme, ale jejichž tvar nám říká, jak pravděpodobné je nalézt částici různě na různých místech, když ji měříme.
Toto vzneslo otázku: Pokud je částice rozprostřena jako vlna, proč se vždy nachází na určitém místě, když ji měříme? Tento spor jasně ukazuje, že oba přístupy jdou ruku v ruce: Popisují stejnou realitu z různých úhlů. Vlna nám říká pravděpodobnosti a měření nám dává výsledek. Schrödingerova formulace se brzy ukázala jako matematicky identická s Heisenbergovou a spojila dva na první pohled protichůdné pohledy na kvantový svět.
Technologické revoluce inspirované kvantovou mechanikou
I když kvantová fyzika nebyla intuitivní a byla někdy kontroverzní pro vědce na začátku 20. století, poskytla vědcům a inženýrům nástroj pro ovládání materiálů a procesů, které předtím nebyli schopni pochopit. To vedlo k vzniku mnoha nových technologií a do 25 let po Heisenbergově objevu bylo založeno mnoho současných technologií.
Ve 30. a 40. letech 20. století pomohla kvantová mechanika vědcům pochopit polovodiče – tedy materiály, které lze nastavit buď k izolaci, nebo k vedení elektrického proudu. Toto nastavení pochází z elektrонов, které fungují jako vlny v krystalu a umožňují některé energie snadno procházet, zatímco jiné blokují. Krátce poté byly vyvinuty první tranzistory založené na polovodičích, které se staly klíčovým materiálem moderní elektroniky.
Okolo téže doby se vědci naučili, jak osvětit materiál paprskem malých částic a tím se dozvěděli o jeho vlastnostech. Tak byly vytvořeny první senzory, které využívají kvantovou mechaniku. To vedlo k drastickému zvýšení přesnosti a rozlišení, s jakými můžeme prozkoumávat přírodu. Zvlášť medicína z toho měla velký prospěch, například pomocí MRI skenování, které se používá v nemocnicích po celém světě.
Nové výzkumy a budoucnost kvantové mechaniky
Pochopení toho, jak světlo interaguje s různými materiály, spolu s rozvojem polovodičů, vedlo v 50. a 60. letech k vývoji dvou nových zdrojů světla: LED a laserů. Díky jejich nízké spotřebě energie jsou LED dnes součástí téměř všech žárovek a obrazovek. Lasery se ukázaly jako velmi všestranný nástroj, který se používá nejen k čtení čárových kódů v obchodech, ale také tvoří páteř našeho globálního komunikačního sítě: optické internetové připojení ovládlo svět, kde se zprávy pohybují bleskově.
V nedávné době byly vynalezeny kvantové tečky. Jsou to maličké struktury, které se chovají jako umělé atomy a nacházejí využití ve vysoce kvalitních obrazovkách a solárních článcích. Tyto inovace byly založeny na lepším pochopení materiálů a zároveň na ovládání velkých skupin atomů.
Od 90. let se vědcům – díky některým z výše zmíněných úspěchů – podařilo získat stále větší kontrolu nad jednotlivými atomy, elektrony a fotony. V rámci této „druhé kvantové revoluce“ se objevily například vynálezy komunikačních kanálů, které jsou bezpečné proti neodhalenému odposlechu. To je cenné pro vládní instituce, banky a sektory zdravotnictví, které se zabývají citlivými daty a potřebují vysokou úroveň zabezpečení.
Příležitosti a výzvy v oblasti kvantové technologie
Současné kontroly jednotlivých atomů vedly k vývoji nových a přesnějších senzorů, které se primárně používají ve výzkumu, například pro přesnější měření gravitace. Jak kvantová mechanika souvisí s naším chápáním gravitace, je stále otevřenou otázkou – základním problémem, kterému věnoval Heisenberg velkou část svého života.
V posledních letech nedostal žádný oblast větší pozornost – a financování – než kvantové počítače. Jsou to stroje, jejichž výpočetní jednotky jsou atomy a které využívají kvantovou mechaniku k výpočtům a simulacím. Již existují, ale bude trvat ještě mnoho let, než bude skutečně použitelný kvantový počítač postaven.
Funkční kvantový počítač by nám například umožnil simulovat složité molekulární struktury, což by nám dalo možnost vyvinout nové léky nebo materiály.
Potenciál pro dobro i zlo
Existují dobré důvody k oslavě inovativní síly, kterou vědci a inženýři prokázali během minulého století. Mnoho z věcí, které vyvinuli pomocí kvantové mechaniky, dramaticky změnilo naše životy. A pokud budou řádně regulovány, mohou přispět k vytvoření udržitelného společnosti. Je však důležité si pamatovat, že existovaly také období, kdy nebezpečné cíle motivovaly technologický pokrok – a tajemství kolem toho situaci zhoršilo.
Jen patnáct let poté, co Heisenberg sdílel svůj objev s fyziky po celém světě, se vědecké prostředí radikálně změnilo. Vědci si již volně nesdíleli myšlenkové experimenty a nápady, ale pracovali na tajných projektech, jejichž cílem bylo vyvinout zbraně. Heisenberg pracoval na uranovém projektu pro nacisty a mnoho dalších fyziků se podílelo na Manhattanově projektu v USA. To vedlo k atomové bombě. Jak název napovídá, bylo možné ji postavit díky pokrokům v kvantové fyzice a porozumění mikroskopickému světu.
Dnes znovu existuje tendencia izolovat výzkumné oblasti, které mají potenciál jak pro dobro, tak pro zlo. To souvisí s probíhajícími válkami a rostoucími politickými napětími. V Dánsku a po celém světě jsou pohyby vědců omezovány kvůli jejich národnosti a dlouhotrvající spolupráce jsou přerušovány.
V těchto časech bychom měli vzpomenout na dopis Nielse Bohra OSN z roku 1950, ve kterém prohlásil, že otevřenější svět by byl klidnějším světem.
Mládí vědy s mnoha nezodpovězenými otázkami
Letos oslavujeme 100. výročí objevování kvantové mechaniky. Mnohé z otázek, které tehdy kladli Heisenberg, Einstein, Bohr a jejich současníci, však stále zůstávají nezodpovězené. Co znamená něco měřit? Existuje podkladová a mocnější teorie, kterou je třeba objevit? Skutečně Bůh hází kostkami?
Kvantová fyzika je relativně mladá věda, která stále má mnoho k prozkoumání a objevení – a v budoucnu bude pokračovat v rozšiřování našeho chápání světa.
