Ztraceni v čase a prostoru: Jak kvantová mechanika mění naše chápání historie
Adolf Hitler zemřel 30. dubna 1945. To alespoň říká oficiální historie. Ale hrstka historiků zpochybnila důkazy a trvala na tom, že vůdce uprchl z válkou zmítaného Berlína a skrýval se kdesi. I když je dnes tento poslední výklad široce považován za bezdůvodnou konspirační teorii, žádný racionální historik by nepochyboval, že ať už byly důkazy sporné, alespoň existoval „fakt“. Hitler buď zemřel toho dne, nebo nezemřel. Bylo by nelogické říkat, že byl 2. května 1945 současně živý i mrtvý. Když však místo Adolfa Hitlera vyměníme za slavnou Schrödingerovu kočku, stávají se historické „fakty“ vážně nejasnými.
Erwin Schrödinger byl jedním ze zakladatelů kvantové mechaniky, nejúspěšnější vědecké teorie v historii. Ta tvoří základ pro veškerou chemii, částicovou fyziku, materiálovou vědu, molekulární biologii a velkou část astronomie a přinesla nám úžasné technologické zázraky, od laserů po chytré telefony. Problém je, že navzdory všem svým úspěchům kvantová mechanika v jádru vypadá, že nedává žádný smysl.
V každodenním životě předpokládáme, že existuje skutečný svět „venku“, v němž objekty, jako jsou stoly a židle, mají určitě definované vlastnosti, jako je poloha a orientace, nezávisle na tom, zda na ně někdo kouká, nebo ne. Když pozorujeme objekt v makroskopickém světě, jednoduše odhalujeme již existující realitu. Ale kvantová mechanika se zabývá mikrosvětem atomů a subatomových částic, kde realita mizí do neurčitosti a rozmazanosti.
Kvantová neurčitost naznačuje, že budoucnost není zcela určena přítomností. Například, pokud je elektron vystřelen známou rychlostí na tenkou bariéru, může se odrazit zpět nebo se může prostoupit bariérou a odletět na druhou stranu. Nebo pokud je atom uveden do excitovaného stavu, pak o mikrosekundu později může být stále excitovaný, nebo se mohl rozpadnout a emitovat foton. V obou případech nemůžeme s jistotou předpovědět, co se stane; lze poskytnout pouze sázkové kurzy.
Většina lidí je s touto myšlenkou, že budoucnost je částečně otevřená, pohodlně smířena. Ale kvantová rozmazanost také naznačuje, že minulost není uzavřenou záležitostí. Podívejte se na dostatečně jemném měřítku a historie se rozplývá do směsi alternativních realit, technicky označovaných jako superpozice.
Rozmazanost kvantového mikrosvěta zaostří, když dojde k měření. Například můžete provést měření polohy elektronu a zjistit, že má konkrétní umístění. Ale podle kvantové mechaniky to neznamená, že elektron už tam byl před měřením, přičemž pozorování pouze odhalilo přesné místo. Naopak, měření vytvoří elektrona na místě z předchozího stavu bez polohy.
Pokud tomu tak je, jak bychom měli přemýšlet o elektronu před tím, než byl pozorován? Představte si množství polovičně reálných „duchových elektronů“ rozptýlených v prostoru, každý reprezentující jinou potenciální realitu, visících ve stavu nerozhodnosti. Někdy se to popisuje tak, že elektron je na mnoha místech současně. Poté – bam! – dojde k měření, které povyšuje konkrétní „vítězný duch“ do konkrétní reality, a tím zničí konkurenty.
Má experimentátor nějakou volbu ohledně výsledku? Ne, pokud jde o výběr vítězného ducha – to závisí na náhodě. Avšak přesto je zde prvek volby, který je zásadní pro pochopení kvantové reality. Pokud se experimentátor rozhodne měřit rychlost elektronu místo polohy, pak předchozí rozmazaný stav opět zaostří do přesného výsledku – ale tentokrát vytváří ne elektrona na nějakém místě, ale elektrona s rychlostí. A elektron s rychlostí se chová jako vlna. Není to ta samá entita jako elektron na místě, což je částice. Zjevně jsou elektrony nějakým způsobem jak vlnami, tak částicemi; jaký aspekt se projeví, závisí na tom, jak se je někdo rozhodne zkoumat.
Základní myšlenka: co se stane s elektronem – zda se chová jako vlna nebo částice, závisí na tom, jaký typ měření se experimentátor rozhodne provést, aby jej pozoroval. Je to divné, ale zde to začíná být skutečně podivné: také to, co se stalo atomu před měřením, závisí na rozhodnutí experimentátora! To znamená, že podstata elektronu v minulosti – vlna nebo částice – je určena tímto výběrem. Vypadá to, jako by něco zpětně zasahovalo do času a ovlivňovalo způsob, jakým byl svět „venku“ před měřením.
Je to cestování v čase? Retrokausace? Telepatia? Všechna tato slova se často objevují v populárních článcích o kvantové fyzice, ale nejvýstižnější popis poskytl John Wheeler, fyzik, který vymyslel termín černá díra: „Minulost neexistuje, kromě jak je zaznamenána v přítomnosti,“ prohlásil.
Wheelerův popis zní jako hluboký výrok, ale existuje skutečně experiment, který by to dokázal? Ano, existuje, jak jsem se poprvé dozvěděl od samotného Wheelera, když jsme se potkali na snídani v hotelu Hilton v Baltimore v roce 1980. Jídlo začalo kryptickou otázkou, typickou pro tohoto muže: „Jak podržíte ducha fotonu?“ zeptal se. Jakmile uviděl můj zmatený výraz, Wheeler pokračoval, aby vysvětlil nový obrat, který si vymyslel pro klasický kvantový experiment. Je nejjednodušší provést experiment se světlem, ačkoli to lze stejně dobře udělat s elektrony nebo dokonce s celými atomy.
Experiment, který poprvé uskutečnil anglický polymath Thomas Young v roce 1801, je pokusem demonstrovat vlnovou povahu světla. Young nastavil obrazovku, na které byly dva úzké štěrbiny blízko sebe, a osvětlil ji bodovým světlem. Světlo prochází štěrbinami a dopadá na druhou obrazovku o něco dále od zdroje světla. Co Young viděl? Ne dva rozmazané pruhy světla, jak byste si mohli představit, ale sérii jasných a tmavých pruhů, nazývaných interferenční pruhy. Ty vznikají, protože světelné vlny procházející každou štěrbinou se rozšiřují a tam, kde dorazí včas – vrchol na vrchol, údolí na údolí – se posilují, aby vytvořily jasnou skvrnu, a tam, kde dorazí mimo čas, se zruší a vytvoří tmavou skvrnu.
Kvantová mechanika začala, kdy fyzikové debatovali, zda světlo sestává z vln, nebo částic, nazývaných fotony. Nyní víme, že, stejně jako elektrony, odpověď je obojí. A s moderní technologií můžete tohoto Youngova experimentu provést jednoho fotonu najednou. Každý foton vytváří na druhé obrazovce malou skvrnu, a s časem se mnohé skvrny hromadí do vzoru ve skvrnitém druhu, aby ukázaly charakteristické pruhy, které Young objevil. To se zdá být matoucí: pokud je foton malá částice, určitě by měl projít buď jednou štěrbinou nebo druhou. Ale obě štěrbiny jsou potřebné k vytvoření interferenčního vzoru.
Co se tedy stane, pokud se mazaný experimentátor rozhodne vidět, kterou štěrbinou jakýkoli daný foton prochází? To lze snadno dosáhnout umístěním detektoru blízko štěrbin. Když se to udělá, interferenční vzor zmizí. Zasahující detekce v podstatě přiměla foton, aby se projevoval jako částice, a tím eliminovala jeho vlnovou povahu. Můžete provést to samé s elektrony – zjistit, kterou štěrbinou prošli, a nenajít žádný pruhový vzor, nebo nechat dráhu každého elektronu nejednoznačnou a pozorovat pruhy (poté, co se mnoho elektronů hromadilo vzor). Takže experimentátor se rozhoduje, foton po fotonu nebo elektron po elektronu, zda se chovají jako vlna nebo částice, když zasáhnou obrazovku.
Teď se dostáváme k Wheelerově obratu. Toto rozhodnutí – podívat se nebo se nepodívat – nemusí být učiněno předem. Ve skutečnosti může být ponecháno až do doby, kdy foton (nebo elektron) prošel skrze štěrbinový systém a je už na cestě k obrazovce. V podstatě se experimentátor může rozhodnout zpětně podívat a vidět, z které štěrbin foton vyšel, nebo ne. Tento nastavení, které logicky dostalo název experiment odložené volby, bylo uskutečněno a jistě výsledky odpovídají očekávání. Když se experimentátor rozhodne nakouknout, fotony se kolektivně netvoří pruhy; když zůstanou nepozorovány, tak ano. Závěr? Realita, která byla – zda světlo se chovalo jako vlna, která procházela oběma štěrbinami, nebo jako částice, která prošla jednou – je určena pozdějším výběrem experimentátora. Měl bych zmínit, že v reálném experimentu je možnost „volby“ automatizována a randomizována, aby se předešlo zaujatosti, která by mohla zkreslit výsledky, a protože se to všechno děje rychleji, než jsou lidské reakční časy.
Experiment odložené volby nemění minulost. Spíše v nepřítomnosti experimentu existuje mnoho minulostí – více smíšených realit. Když je učiněno rozhodnutí o měření, některé z těchto historií jsou vyloučeny. Efekt volby tedy snižuje určitou kvantovou rozmazanost minulosti a, pokud neomezuje jedinečnou historii, alespoň zúží počet konkurentů. Proto je někdy nazýván experimentem kvantového mazání.
V reálném experimentu je časou zpětného pohledu pouze nanosekundu či tak, ale v principu by mohl trvat až od počátků vesmíru. A opravdu, to byla myšlenka za Wheelerovou kryptickou otázkou ohledně toho, jak podržet ducha fotonu. Představoval si vzdálený kosmický zdroj světla, který je gravitačně čočkován z našeho pohledu intervenující černou dírou, s dvojitými světelnými cestami ohnutými kolem protilehlých stran černé díry, než se sloučili na Zemi, poněkud podobně jako experiment se dvěma štěrbiny v kosmickém měřítku. Duch fotonu by mohl dorazit jednou cestou, zatímco jiný duch, který by šel druhou, možná delší, cestou, by se sem mohl dostat za měsíc. Aby bylo možné provést takový kosmický interferenční experiment, museli byste nějakým způsobem uložit, nebo „podržet“, prvního ducha, abyste čekali na příchod druhého, než je sloučíte, aby se vlny překryly ve stejnou chvíli, jak to dělají v původním Youngově experimentu.
Einstein jednou napsal, že minulost, přítomnost a budoucnost jsou pouze iluze. V tom se mýlil. Chyba spočívá ve slově „ta“. Minulost existuje dnes v historických záznamech, ale představuje obrovskou mnohost různých „duchovních minulostí“ spojených tak, aby vytvořily unikátní naraci na makroskopické úrovni. Na kvantové úrovni však fades do amalgamu rozmazaných poloreálných realit, které leží za lidským zkušením.
Paul Davies je teoretický fyzik, kosmolog, astrobiolog a autor bestsellerů. Jeho kniha Quantum 2.0, bude vydána v listopadu 2025 nakladatelstvím Penguin.
