Kvantová fyzika: Vědecká revoluce, která odhaluje, že realita je jen iluze a svět kolem nás funguje jinak, než jsme si kdy dokázali představit
Mystika vědy
Kvantová fyzika je jedním z nejzáhadnějších a nejrevolučnějších oborů moderní vědy. Zatímco klasická fyzika, kterou formuloval Isaac Newton na přelomu 17. a 18. století, popisuje svět jako předvídatelné a pevné uspořádání objektů v prostoru, kvantová mechanika přináší zásadní otřes této představy.
Podle jejích zákonitostí se realita na mikroskopické úrovni chová způsobem, který často odporuje našim intuitivním představám. Částice mohou být zároveň na dvou místech, měnit svůj stav v závislosti na pozorování a existují v pravděpodobnostním rozpětí takřka nekonečných možností, dokud nejsou změřeny. Co to všechno znamená?
Zrození kvantové fyziky
Kvantová mechanika se zrodila na přelomu 19. a 20. století v reakci na problémy, se kterými si klasická fyzika nedokázala poradit. V roce 1900 přišel Max Planck s teorií kvant, když zjistil, že energie se nepřenáší plynule, jako například voda tekoucí z kohoutku, ale v malých dávkách – kvantech.
Tento objev pomohl vysvětlit tzv. černé těleso – ideální objekt, který dokonale pohlcuje světlo a žádné neodráží. Na Zemi se sice takový dokonalý objekt neexistuje, ale na stejném principu se chovají například černé díry nebo speciální materiály používané v laboratořích, jako je uhlíkový aerogel.
Fyzikové si dříve lámali hlavu nad tím, proč klasické teorie nedokázaly popsat, jak se černé těleso chová. Až do té chvíle, než Planck přišel s teorií kvant. Tato myšlenka byla tak zásadní, že položila základ pro novou oblast fyziky – kvantovou mechaniku.
Díky kvantové mechanice jsme dnes schopni lépe pochopit chování atomů, elektronů a dalších částic, což vedlo k obrovskému pokroku v technologii – od laserů přes tranzistory až po kvantové počítače. Kvantová fyzika tak neovlivňuje jen vědce, ale zasahuje do každodenního života každého z nás.
Následně to nebyl nikdo jiný než Albert Einstein, kdo v roce 1905 přišel s vysvětlením fotoelektrického jevu, kde ukázal, že světlo se nechová pouze jako vlna, ale i jako částice – foton. Vědci si tohoto jevu začali všímat na základě pokusů s kovovými povrchy, kdy zjistili, že při osvětlení ultrafialovým světlem se z nich uvolňují elektrony. To odporovalo klasické fyzice, která nedokázala vysvětlit, proč slabé, ale vysoce energetické světlo může elektrony uvolnit, zatímco silné, ale méně energetické světlo nikoli.
To lze pozorovat například u solárních panelů: když na ně dopadá sluneční světlo, fotony v něm obsažené předávají svou energii elektronům v materiálu panelu, což vede k vytváření elektrického proudu. To jednoduše znamená, že světlo přenáší energii v malých dávkách. Přesně tak, jak je popsáno výše.
Další zásadní průlom přinesl v roce 1925 Werner Heisenberg se svou maticovou mechanikou (první způsob, který fyzikové našli pro vyjádření kvantové fyziky v matematické podobě) a Erwin Schrödinger se svou slavnou vlnovou rovnicí. Schrödingerova rovnice ukázala, že částice neexistují jako pevné objekty, dokud nejsou pozorovány, ale jako rozprostřené pravděpodobnostní vlny. Tento jev je nejlépe ilustrován myšlenkovým experimentem Schrödingerovy kočky – do krabice se uzavře kočka spolu s ampulkou s jedem, který se může kdykoliv uvolnit. Zvíře v krabici je tak současně mrtvé i živé, dokud se někdo nepodívá dovnitř.
Zdroj: Giphy
Důsledky kvantové fyziky
Jedním z nejpřekvapivějších důsledků kvantové mechaniky je princip neurčitosti, který formuloval již zmíněný Werner Heisenberg. Tento princip říká, že nikdy nemůžeme přesně změřit jak polohu, tak hybnost částice zároveň. Čím přesněji známe jednu z těchto veličin, tím méně přesně můžeme určit tu druhou. To v podstatě znamená, že realita na kvantové úrovni je v každém okamžiku nejistá. Ještě jednodušeji – realita je přesně taková, jakou ji očekáváme.
Dalším fascinujícím jevem je kvantové provázání. Pokud se dvě částice provážou, jejich stavy zůstávají propojené bez ohledu na vzdálenost, která je odděluje. To znamená, že změna jednoho objektu okamžitě ovlivní druhý, i kdyby byly od sebe světelné roky daleko. Tento jev, kterému Einstein říkal „strašidelné působení na dálku“, byl později experimentálně potvrzen.
Kvantová fyzika dnes
Díky kvantové mechanice dnes lépe rozumíme struktuře atomů, chemickým vazbám a chování částic v extrémních podmínkách. Kvantové teorie jsou využívány v technologii polovodičů, což vedlo k vývoji tranzistorů a počítačů. Kvantová optika stojí za vývojem laserů, zatímco kvantová elektrodynamika přesně popisuje interakce mezi světlem a hmotou.
V posledních letech kvantová fyzika směřuje k vývoji zcela nových kvantových počítačů, které by mohly revolučně změnit zpracování informací. Kvantová kryptografie zase slibuje neprolomitelnou bezpečnost digitálních komunikací, což je stále aktuálnější téma.
V zásadě kvantová fyzika ukazuje, že realita, jak ji vnímáme, je jen přibližnou interpretací skutečnosti. Na subatomární úrovni totiž přestává platit naše běžná logika i klasická fyzika. Přestože kvantová fyzika zůstává v mnoha ohledech záhadná, její závěry mají reálné a praktické dopady na náš každodenní život a budou utvářet zejména technologie budoucnosti.
