Pomůže nám kvantová fyzika lépe popsat a vysvětlit podstatu vesmíru?

Když v roce 1900 německý fyzik Max Planck vysvětlil záhadné záření černého tělesa pomocí kvantové hypotézy, položil tím základy kvantové mechaniky. Nikdy to neměla lehké, postupně se však ukázalo, že je velmi odolná – především vůči sarkasmu velikánů fyziky, kteří ji neměli příliš v lásce, i když do značné míry přispěli k jejímu rozvoji.

Například Albert Einstein nesnášel její pravděpodobnostní charakter a prohlásil, že „bůh nehraje v kostky“. Kvantová mechanika ovšem prokázala, že se hra v kostky boží přízni těší. Erwin Schrödinger se pokusil kvantové mechanice vysmát jízlivým vtipem o kočce. Jenže ze zároveň živé i mrtvé Schrödingerovy kočky se stal veleúspěšný, přímo legendární mem, který k popularizaci kvantové mechaniky nesmírně přispěl.

Kvantová mechanika přežila do 21. století a společně s obecnou relativitou současné fyzice vévodí. Její hájemství tvoří hlavně mikrosvět, zároveň však přesahuje až do vesmíru a napomáhá vysvětlení celé řady jevů, jež v něm pozorujeme. Na dalších řádcích proto představujeme deset jejích podivností, které se vyplatí znát.

Kvanta neboli dávky

Kvantový svět se v jistém ohledu podobá botám. Při výběru nového páru obvykle nenajdete takový, který vám bude sedět naprosto přesně na milimetry ve všech rozměrech. Musíte se spokojit s jednou z vyráběných velikostí. A ve světě kvant je to podobné. Einstein dostal Nobelovu cenu v podstatě za prokázání kvantové povahy energie. Jde o to, že energii nelze dělit donekonečna na rozmanitě velké dílky. Skládá se z kvant a vyskytuje se pouze v nich a v jejich násobcích. Není tedy možné vytvořit energii, která by odpovídala polovině či třeba třetině kvanta. Ostatně, právě odtud pochází označení „kvantová“.

Pokud jde o energii, kvantum vyjadřuje slavná Planckova konstanta, jež prostupuje celou kvantovou mechanikou. Jako první ji odvodil již zmiňovaný Max Planck, když v roce 1900 řešil tzv. ultrafialovou katastrofu související se zářením horkých těles, například Slunce. „Katastrofa“ spočívá v nesprávné předpovědi klasické, tj. nekvantové fyziky, podle níž absolutně černé těleso vydává tepelné záření o nekonečném výkonu. Realita se s uvedenou predikcí začíná rozcházet v oblasti ultrafialového záření, proto ultrafialová katastrofa. Planckovo řešení spočívalo v tom, že se energie nevyzařuje spojitě, nýbrž v dávkách čili kvantech, přičemž jí odpovídá frekvence fotonu vynásobená Planckovou konstantou. V roce 1918 obdržel německý vědec za svůj výzkum Nobelovu cenu.

Částice je vlna, vlna je částice

Anglický experimentální fyzik Joseph J. Thomson získal roku 1906 Nobelovu cenu za zjištění, že elektron je částice. Shodou okolností se pak jeho syn George P. Thomson stal v roce 1937 společně s Clintonem J. Davissonem laureátem téže ceny za odhalení vlnové povahy elektronů. Pravdu však měli oba.

Podivuhodná historie rodiny Thomsonových pěkně ukazuje další zásadní jev kvantové mechaniky: dualitu částice a vlnění. Zmíněný pojem přitom zavedl Einstein v roce 1905 při objasnění fotoelektrického jevu. Jde o to, že všechny objekty lze popsat buď jako částici, nebo vlnu, v závislosti na konkrétním uspořádání experimentu a způsobu pozorování. Podle toho se projeví jejich částicová, či vlnová povaha. Dualita se týká veškeré hmoty, ale nejvíc patrná je u objektů s nesmírně malou hmotností, k nimž patří elementární částice. Projevuje se u světla, tedy u fotonů, stejně jako u elektronů a jejich dalších protějšků. 

Světlo tedy obvykle považujeme za elektro­magnetické vlnění, ale z jiného úhlu pohledu se vlastně jedná o částice – fotony. Při pozorování vesmíru teleskopem tak astronomové sledují vlny elektromagnetického záření a současně „sbírají“ jednotlivé fotony. Duální povaha světla také znamená, že světelné záření vytváří tlak, když fotony coby částice dopadají na určitý objekt. Proto mohou fungovat technologie jako solární plachty, jež pohánějí kosmické sondy a které lze rovněž teoreticky využít například k odklonění nebezpečných planetek na kolizním kurzu.

Na dvou místech zároveň

Dualita částic a vlnění tvoří příklad kvantového jevu superpozice. Ten vyjadřuje, že kvantové objekty existují ve více různých stavech zároveň. Daným stavem přitom může být i konkrétní pozice objektu. Například elektron se vyskytuje na více místech současně. A teprve s uspořádáním experimentu s cílem odhalit jeho konkrétní pozici se „objeví“ v určitém místě. Proto kvantová mechanika stojí na pravděpodobnostech. Obvykle nelze přesně určit, kde se objekt – třeba zmíněný elektron – nachází. Je možné pouze stanovit pravděpodobnost, s níž se bude v konkrétním místě vyskytovat ve chvíli, kdy se tam vědci „podívají“ v rámci pokusu. Dané pravděpodobnosti vyjadřuje tzv. vlnová funkce, která se používá pro matematický popis studovaného fyzikálního systému. Když dojde k pozorování určitého objektu v experimentu, vlnová funkce zkolabuje, zruší se stav superpozice a dotyčný objekt se „objeví“ na některé ze svých možných pozic.

Šance pro mnohovesmír

Kvantový svět je plný přízraků a nejasností. Popsaný kolaps vlnové funkce, který „přinutí“ kvantový objekt k výběru jednoho z možných stavů, představuje tzv. kodaňskou interpretaci. Jde o pravděpodobnostní výklad kvantové mechaniky, jenž je sice nejznámější, nikoliv však jediný. Ani dnes s ním někteří teoretičtí fyzici nesouhlasí, především proto, že se navzdory své popularitě vlastně neopírá o přesvědčivé teoretické či experimentální důkazy.

K jeho alternativám patří i poněkud „psychedelická“ mnohasvětová interpretace, kterou v roce 1957 vytvořil americký fyzik Hugh Everett III. Podle ní je vlnová funkce objektu reálná a nikdy nezkolabuje. Všemožné výsledky kvantových měření dané funkce existují, ale nikoliv v jednom kosmu či realitě: Vyskytují se v mnoha různých vesmírech, jichž je nekonečné množství. Uvedená interpretace vnímá čas jako věčně se větvící strom reality, přičemž všechny možnosti veškerých kvantových stavů někde reálně existují.

Mnohasvětová intepretace tvoří vlastně jednu z variant konceptu mnoho­vesmíru neboli představy, že je náš kosmos pouze jedním z ohromného množství více či méně podobných vesmírů či realit. Ačkoliv takový výklad působí na první pohled velice extravagantně, ve skutečnosti řeší některé „bláznivé“ paradoxy kvantové mechaniky, včetně již zmiňované Schrödingerovy kočky: V případě známého experimentu zkrátka existují dva vesmíry lišící se tím, že v jednom je zvíře živé a ve druhém mrtvé. Kvantoví kosmologové mezi sebou také čas od času provádějí na dané téma průzkum. A ukazuje se, že se vždy zhruba polovina oslovených vědců přiklání právě k mnohasvětové intepretaci kvantové mechaniky.