„Co vlastně tím myslíš?“ ptal se Niels Bohr neustále svého bystrého a zvědavého jednatřicetiletého studenta. Před sto lety procházeli dánský fyzik Niels Bohr a jeho student, německý fyzik Werner Heisenberg, hodiny skrze Dyrehaven a podél Øresund a snažili se vysvětlit podivné chování atomů, když je fyzikové studovali v laboratořích.
V té době věřili fyzikové, že atom je podobný malému slunečnímu systému – s hustým jádrem uprostřed a elektrony obíhajícími kolem něj. Na přelomu století navrhl Max Planck, že energie existuje v malých balíčcích. Byla to matematická myšlenka, kterou vytvořil, aby vysvětlil své experimentální výsledky. Albert Einstein poté tuto myšlenku rozšířil a tvrdil, že světlo samo o sobě přichází v balíčcích nebo „kvantech“.
Na základě tohoto nového pohledu použil Niels Bohr svou intuici k odhalení skutečného vnitřního fungování atomu. Nesouhlasil s tím, že elektrony se chovají jako planety obíhající kolem Slunce – pohybují se jinak, než bychom si mysleli. Mění úroveň, na které existují, a najednou se objevují na jiné úrovni, kde buď vyzařují, nebo pohlcují světlo. V té době se tento myšlenkový koncept zdál fyzikům absurdní a neexistovala žádná teorie, která by takové chování vysvětlila.
Proto Bohr a Heisenberg neúnavně diskurovali, jak vytvořit novou teorii, schopnou objasnit podivné chování atomů. Jejich dlouhé procházky a intenzivní debaty znamenaly začátek toho, co dnes nazýváme kvantovou mechanikou – teorie, která v tomto roce oslavuje své 100. výročí.
Adventní kalendář o kvantové mechanice
Tento článek je prvním z čtyř v adventním kalendáři Videnskab.dk, který si připomíná století kvantové mechaniky. Každou neděli až do Vánoc vás vědci z Niels Bohr Institutu na Kodaňské univerzitě provedou podivným a tajemným světem kvant.
V sérii se dozvíte více o nejbláznivějších experimentech v oblasti kvantové fyziky a dánském kvantovém počítači Magne. A samozřejmě vědec také vysvětlí, co je vlastně kvantová mechanika.
Rané roky kvantové mechaniky
Kromě úsilí o vysvětlení podivného chování přírody se Heisenberg potýkal s intenzivní pylovou alergií. Proto se vydal na odlehlý ostrov Helgoland v Severním moři, kde našel klid a soustředění. Právě tam měl Heisenberg konečně položit základy matematické teorie, která by dokázala vysvětlit zákony mikroskopického světa: kvantovou teorii.
„Napsal jsem šílený článek,“ měl údajně říct Heisenberg Maxu Bornovi, jeho mentorovi v Göttingen, který byl klíčový pro formování novejch myšlenek Heisenberga. Jen pár měsíců později vytvořili první formulaci této nové teorie. Heisenbergova původní myšlenka spočívala v tom, že přírodu lze popsat pouze pomocí toho, co lze vidět.
Podle této perspektivy se nesleduje, kde se částice „skutečně nachází“, ale pracuje se přímo s tím, co lze v laboratoři měřit: energií částic, frekvencemi světla, které vyzařují, nebo jak ovlivňují další částice. Pouze fakta, která jsou viditelná, se podílejí na teorii. Tato koncepce reality se zakládá na pozorování.
Obě stránky téže mince
V témže období vyvinul rakouský fyzik Erwin Schrödinger odlišný, ale podobný přístup. Ten byl založen na faktu, že světlo se chová jako vlna, což dává intuitivnější obraz chování atomů. Tedy místo zaměření se pouze na měřitelné veličiny si představoval částice jako hladké vlny rozprostírající se prostorem. Tyto vlny nikdy nevidíme přímo, ale jejich forma nám naznačuje, jak pravděpodobné je najít částici na různých místech, když ji měříme.
To však vyvolalo otázku: Pokud je částice rozptýlena jako vlna, proč vždy skončí na určitém místě, když ji měříme? Tato kontroverze ukazuje, že oba přístupy jdou ruku v ruce: popisují stejnou realitu z různých úhlů. Vlna nám udává pravděpodobnosti, zatímco měření nám dává výsledek. Schrödingerova formulace se ukázala být matematicky identická s Heisenbergovou a spojila dva zdánlivě protichůdné pohledy na kvantový svět.
To, co začalo jako abstraktní debata, brzy proměnilo naše chápání přírody: Uvědomění nahradila pravděpodobnost, částice pluly jako vlny a realita nebyla oddělitelná od toho, co můžeme pozorovat.
Tranzistory a moderní elektronika
Přestože kvantová fyzika nebyla intuitivní a někdy kontroverzní pro vědce v počátku dvacátého století, poskytla vědcům a inženýrům nástroj k monitorování materiálů a procesů, které předtím nebyli schopní pochopit. To vedlo k vzniku mnoha nových technologií a během dvaceti pěti let po Heisenbergově objevu byla položena základna pro mnoho současných technologií.
V třicátých a čtyřicátých letech kvantová mechanika pomohla vědcům porozumět polovodičům – tedy materiálům, které lze nastavit tak, aby buď izolovaly, nebo vedly elektřinu. Toto nastavení vzniká z elektronů, které fungují jako vlny v krystalu, což umožňuje některým energiím volně proudit, zatímco jiné jsou blokovány. Krátce poté byly vyvinuty první tranzistory založené na polovodičích, které se od té doby staly klíčovým materiálem v moderní elektronice.
Světla, kamery, čárové kódy!
V přibližně stejnou dobu se vědci naučili osvětlení materiálu paprskem malých částic, čímž se dozvěděli o jeho vlastnostech. Takto vytvořili první senzor, který využíval kvantovou mechaniku. To vedlo k drastickému zvýšení přesnosti a rozlišení, s nimiž můžeme zkoumat přírodu. Zvláště medicína z toho měla velký prospěch, například MRI skenování, které se používá v nemocnicích po celém světě.
Porozumění tomu, jak světlo interaguje s různými materiály, spolu s výskytem polovodičů vedlo v padesátých a šedesátých letech k vývoji dvou nových zdrojů světla: LED a laserů. Díky jejich nízké spotřebě energie jsou dnešní LED žárovky a obrazovky téměř všudypřítomné. Lasery se ukázaly jako velmi univerzální nástroj, který se nepoužívá pouze k čtení čárových kódů v obchodech, ale stal se také páteří naší globální komunikační sítě: optické internetové připojení převládá, kde zprávy putují rychlostí blesku.
Nedávno byly vynalezeny kvantové tečky. Jedná se o drobné struktury, které se chovají jako umělé atomy a používají se v displejích a vysoce kvalitních solárních článcích. Inovace, které byly dosud zmíněny, byly založeny na hlubším pochopení materiálů a současně na kontrole velkých skupin atomů.
Nejnovější aplikace
Od devadesátých let dosáhli vědci – díky některým z výše uvedených úspěchů – rostoucí kontroly nad jednotlivými atomy, elektrony a fotony. Pod „druhou kvantovou revolucí“ se nachází vznik komunikačních kanálů, které jsou odolné vůči neodhalenému odposlechu. Toto je například cenné pro státní instituce, banky a zdravotnictví, které manipulují s citlivými údaji a potřebují vysokou úroveň bezpečnosti.
Síť takových kanálů nazýváme sítí, a dnes se složitost takových sítí neustále zvyšuje a může se dokonce rozšiřovat prostřednictvím satelitů. Kontrola nad jednotlivými atomy vedla k vývoji nových a přesnějších senzorů, které se primárně používají v výzkumu a například se používají k přesnějšímu zkoumání gravitace. Jak kvantová mechanika souvisí s naším chápáním gravitace, zůstává otevřenou otázkou – základním problémem, kterému se Heisenberg věnoval velkou část svého života.
V posledních letech nedostalo žádné pole více pozornosti – a financování – než kvantové počítače. Jsou to stroje, jejichž výpočetní jednotky představují atomy a využívají kvantovou mechaniku pro výpočty a simulace. Již existují, ale potrvá ještě mnoho let, než bude postaven skutečně použitelný kvantový počítač.
Díky funkčnímu kvantovému počítači bychom například mohli simulovat složité molekulární struktury, což by nám umožnilo vyvíjet nové léky nebo materiály.
Potenciál pro dobro a zlo
Existují dobré důvody na oslavu inovativní síly, kterou vědci a inženýři prokázali během posledního století. Mnohé z věcí, které se vyvinuly díky kvantové mechanice, drasticky změnily naše životy. A pokud budou regulovány správně, mohou přispět k vytvoření udržitelného společnosti. Je však důležité pamatovat na to, že existovaly také období, kdy nebezpečné cíle podnítily technologický pokrok – a tajemství kolem toho to zhoršilo.
Pouze patnáct let po tom, co Heisenberg sdílel svůj objev s fyziky z celého světa, se vědecké prostředí zásadně změnilo. Vědci už nesdíleli volně myšlenkové experimenty a nápady, ale pracovali na tajných projektech, jejichž cílem bylo vyrobit zbraně. Heisenberg byl zapojen do uranového projektu pro nacisty a mnozí další fyzikové byli zapojeni do Manhattanova projektu v USA. To vedlo k atomové bombě. Jak název naznačuje, bylo možné ji postavit díky pokroku v kvantové fyzice a porozumění mikroskopickému světu.
Dnes opět existuje tendence izolovat výzkumná pole, která se domníváme, že mají potencionál jak pro dobro, tak pro zlo. To je důsledkem probíhajících válek a zvyšujících se politických napětí. V Dánsku a na celém světě je pohybová svoboda vědců omezena jejich národností, a dlouhodobá spolupráce je přerušována.
V těchto těžkých dobách bychom měli mít na paměti dopis Nielse Bohra OSN v roce 1950, kde prohlásil, že otevřenější svět by byl mírovější.
Jedna mladá věda s mnoha nevyřešenými otázkami
Tento rok si připomínáme 100. výročí objevu kvantové mechaniky. Mnoho otázek, které se Heisenberg, Einstein, Bohr a jejich současníci kladli tehdy, však stále zůstává bez odpovědi. Co znamená něco měřit? Existuje podkladová a mocnější teorie, kterou je třeba objevit? Odpovídá Bůh skutečně kostkami?
Kvantová fyzika je relativně mladá věda, která má stále mnoho co zkoumat a objevovat – a do budoucnosti bude nadále rozšiřovat naše porozumění světu.
