Kvantová mechanika - Schrödingerova mačka - Je hmota len zamrznutá energia?
Kvantová mechanika je oblasť fyziky, ktorá študuje a opisuje správanie hmoty a energie na úrovni atómov, molekúl a ešte menších, tzv. elementárnych častíc. Je to jedna z najrevolučnejších teórií 20. storočia, ktorá zmenila naše chápanie vesmíru na najzákladnejšej úrovni.
Aké oblasti vedy skúma?
Kvantová mechanika nie je len teóriou pre hŕstku fyzikov, ale má uplatnenie v mnohých vedných disciplínach:
Fyzika elementárnych častíc: Pomáha pochopiť, ako sa správajú protóny, neutróny, elektróny a kvarky.
Chémia: Vysvetľuje chemické väzby, štruktúru molekúl a priebeh chemických reakcií, čím tvorí základ celej teoretickej chémie.
Aplikovaná veda a technológia: Stojí za vznikom moderných technológií, ako sú lasery, tranzistory (základ počítačov a smartfónov), polovodiče a zobrazovacie techniky, napríklad magnetická rezonancia (MRI). V súčasnosti je kľúčová pre vývoj kvantových počítačov a kryptografie.
Čím sa líši od predošlej vedy?
Hlavný rozdiel je v tom, že klasická fyzika, založená na Newtonových zákonoch, funguje perfektne pre makroskopický svet (planéty, autá, lopty), kde sú vlastnosti objektov presne dané a predvídateľné. Kvantová mechanika však ukázala, že na úrovni mikrosveta tieto zákony neplatia a realita je oveľa zložitejšia a menej intuitívna.
Hlavné nové koncepty, ktoré kvantová mechanika priniesla:
Kvantovanie energie: Energia (a iné fyzikálne veličiny) neexistuje v ľubovoľných hodnotách, ale iba v diskrétnych "balíčkoch" – kvantách. To bol prelomový objav, ktorý ukázal, že aj svetlo a elektróny môžu mať vlastnosti častíc.
Vlnovo-časticový dualizmus: Častice ako elektróny alebo fotóny sa môžu správať raz ako vlna a inokedy ako častica, v závislosti od toho, ako ich meriame.
Princíp neurčitosti: Heisenbergov princíp neurčitosti tvrdí, že nemôžeme súčasne s absolútnou presnosťou určiť niektoré páry vlastností častice, napríklad jej polohu a hybnosť. Čím presnejšie poznáme jednu vlastnosť, tým menej presne poznáme druhú.
Superpozícia a kolaps vlnovej funkcie: Ako sme už spomínali, častica existuje v superpozícii všetkých možných stavov naraz, kým ju nezačneme pozorovať (meriať). Meranie spôsobí "kolaps vlnovej funkcie", čo ju donúti zaujať jeden konkrétny stav.
Najväčšie osobnosti a ich úspechy
Vznik a rozvoj kvantovej mechaniky je dielom desiatok brilantných vedcov, no k tým najvýznamnejším patria:
Max Planck (1900): Je považovaný za otca kvantovej teórie. Svojou prácou o žiarení čierneho telesa ako prvý navrhol myšlienku, že energia je vyžarovaná v diskrétnych kvantách, čím dal teórii aj názov.
Albert Einstein (1905): Aj keď sa neskôr kvantovej mechanike bránil, patrí k jej zakladateľom. Vysvetlil fotoelektrický jav (za čo dostal Nobelovu cenu), keď ukázal, že svetlo sa skladá z častíc nazývaných fotóny.
Niels Bohr (1913): Svojím Bohrovým modelom atómu ukázal, že elektróny obiehajú okolo jadra len na presne definovaných energetických hladinách. Tento model bol prvým úspešným vysvetlením štruktúry atómu.
Werner Heisenberg (1925): Sformuloval maticovú mechaniku a slávny princíp neurčitosti, ktorý je jedným z pilierov kvantovej mechaniky.
Erwin Schrödinger (1926): Sformuloval slávnu Schrödingerovu rovnicu, ktorá je základným matematickým nástrojom kvantovej mechaniky. Namiesto určenia presnej polohy častice sa zameriava na jej vlnovú funkciu, ktorá popisuje pravdepodobnosť, kde sa častica nachádza.
Niels Bohr
Niels Bohr bol dánsky fyzik, ktorý v 20. storočí výrazne prispel k rozvoju atómovej fyziky a kvantovej mechaniky. Medzi jeho najvýznamnejšie vedecké úspechy patria:
Bohrov model atómu (1913): Tento model bol prelomovým krokom v chápaní atómovej štruktúry. Bohr v ňom navrhol, že elektróny obiehajú okolo atómového jadra len na určitých, presne definovaných energetických dráhach (orbitách). Zmenou orbity elektrón absorbuje alebo vyžaruje energiu vo forme svetla. Jeho model, hoci ho neskôr nahradili zložitejšie modely kvantovej mechaniky, bol prvým, ktorý dokázal vysvetliť spektrálne čiary vodíka. Za túto prácu dostal v roku 1922 Nobelovu cenu za fyziku.
Princíp komplementarity: Bohr v rámci rozvoja kvantovej mechaniky sformuloval tento princíp, ktorý hovorí, že objekty na kvantovej úrovni môžu mať duálne vlastnosti (napríklad vlastnosti častice aj vlny), pričom obe sa navzájom dopĺňajú, no nie je možné ich pozorovať súčasne.
Kodaňská interpretácia kvantovej mechaniky: Spolu s Wernerom Heisenbergom bol Bohr jedným z hlavných autorov Kodaňskej interpretácie, ktorá vysvetľuje povahu kvantovej mechaniky a jej dôsledky. Táto interpretácia predpokladá, že fyzikálne vlastnosti systému existujú až vo chvíli, keď ich meriame, a dovtedy sú v stave superpozície. To si vysvetlíme nižšie.
Okrem teoretických príspevkov bol Bohr známy aj ako organizátor vedeckého života. V Kodani založil Inštitút pre teoretickú fyziku (dnes Bohrov inštitút), ktorý sa stal svetovým centrom pre výskum kvantovej fyziky a priťahoval najväčšie mozgy tej doby. Bohr sa taktiež angažoval v medzinárodnej spolupráci a obhajoval mierové využitie jadrovej energie.
"Fyzikálne vlastnosti systému existujú až vo chvíli, keď ich meriame, a dovtedy sú v stave superpozície"
Toto je skutočne jeden z najfascinujúcejších a najintuitívnejšie najmenej pochopiteľných konceptov v kvantovej mechanike. Pokúsim sa to vysvetliť čo najjednoduchšie, aj keď je to oblasť, ktorá mätie aj mnohých fyzikov.
Predstav si malú časticu, napríklad elektrón. V klasickej fyzike by sme si ju predstavili ako malú guľôčku, ktorá má v každom momente presnú polohu a rýchlosť. Kvantová mechanika nám však hovorí, že to tak nie je.
Superpozícia: Stav všetkých možností
V stave superpozície nemá častica jednu konkrétnu vlastnosť (napríklad polohu alebo rýchlosť), ale existuje v akejsi "zmesi" všetkých možných stavov naraz. Namiesto toho, aby bola na jednom mieste, je pravdepodobnostne rozprestrená po celom priestore.
Schrödingerova mačka
Najznámejším príkladom na vysvetlenie javu superpozície je myšlienkový experiment so Schrödingerovou mačkou.
Predstav si, že mačka je v nepriehľadnej krabici spolu s rádioaktívnym atómom, Geigerovým počítadlom a ampulkou jedu.
Ak sa atóm rozpadne, Geigerovo počítadlo ho zachytí, rozbije ampulku a mačka zomrie.
Ak sa atóm nerozpadne, mačka prežije.
Atóm má podľa kvantovej mechaniky 50 % pravdepodobnosť rozpadu a 50 % pravdepodobnosť, že zostane nerozpadnutý.
Podľa princípu superpozície je atóm v stave, keď je súčasne rozpadnutý aj nerozpadnutý. A práve preto, že mačkin osud je s ním spojený, je mačka, kým krabicu neotvoríme, zároveň živá aj mŕtva. Nejde o to, že nevieme, v akom stave sa nachádza, ale o to, že nemá žiaden konkrétny stav. Jej stav je superpozíciou (prekrytím) oboch možností.
Kolaps vlnovej funkcie (meranie)
Všetko sa zmení vo chvíli, keď do systému zasiahne meranie (pozorovanie). Keď otvoríš krabicu, aby si skontroloval mačku, donútiš systém "vybrať si" jednu z možností. V kvantovej fyzike sa to nazýva kolaps vlnovej funkcie.
V tom momente, keď sa pozrieš, superpozícia sa okamžite rozpadne a mačka sa stane buď 100 % živou, alebo 100 % mŕtvou.
Meranie teda "prinúti" časticu vzdať sa superpozície a zaujať jeden konkrétny stav.
Preto Niels Bohr a jeho kolegovia sformulovali takzvanú Kodaňskú interpretáciu, ktorá hovorí, že realita na kvantovej úrovni je popísaná vlnovou funkciou, ktorá je superpozíciou všetkých možných stavov. Fyzikálne vlastnosti sa stanú konkrétnymi až vtedy, keď ich zmeriame. A práve preto sa kvantová mechanika často označuje ako pravdepodobnostná – nepredpovedá konkrétny výsledok, ale iba pravdepodobnosť, s akou nastane ten či onen stav po meraní.
Je to skutočne myšlienka, ktorá búra naše chápanie sveta, kde má všetko v každom okamihu presne definované vlastnosti.
Je hmota len zamrznutá energia?
Výrok, že "hmota je zamrznutá energia", sa často pripisuje Albertovi Einsteinovi a súvisí s jeho slávnou rovnicou .
Hoci Einstein pravdepodobne túto frázu priamo nepoužil v tejto doslovnej podobe, presne vystihuje podstatu jeho teórie.
Einsteinova rovnica a súvis s kvantovou mechanikou
Rovnica pochádza z Einsteinovej špeciálnej teórie relativity (1905), nie priamo z kvantovej mechaniky, ale obe teórie sú kľúčové pre pochopenie modernej fyziky.
E predstavuje energiu.
m predstavuje hmotnosť.
c je rýchlosť svetla vo vákuu (obrovská konštanta).
Táto rovnica ukazuje, že hmotnosť a energia sú navzájom rovnocenné a zameniteľné. Malé množstvo hmoty môže byť premenené na obrovské množstvo energie a naopak. V tomto zmysle je hmota v podstate nesmierne koncentrovaná forma energie. Výrok o "zamrznutej energii" je metaforou, ktorá vyjadruje práve túto myšlienku – hmota je energia, ktorá je uložená a akoby "zamknutá" v stabilnej forme.
Ako to súvisí s kvantovou mechanikou?
Hoci rovnica nepatrí pod kvantovú mechaniku, obe teórie sa prekrývajú a dopĺňajú:
Vlnovo-časticový dualizmus: Kvantová mechanika ukázala, že svetlo (energia) sa môže správať ako častica (fotón). Naopak, častice s hmotnosťou (napr. elektróny) môžu mať vlnové vlastnosti. Toto prepojenie hmoty a energie na fundamentálnej úrovni podporuje myšlienku, že sú neoddeliteľne spojené.
Vznik a zánik častíc: V kvantovej fyzike sa častice s hmotnosťou (napríklad elektrón a jeho antičastica, pozitrón) môžu zraziť a premeniť na fotóny (čistá energia) a naopak. Tento proces, známy ako anécia (zánik) a tvorba párov, sa riadi práve rovnicou . Ukazuje, ako sa hmota premieňa na energiu a naopak, čo je základný princíp, ktorý Einsteinova rovnica popisuje.
Skrátka, Einsteinova teória relativity poskytla matematický rámec pre vzťah medzi hmotou a energiou, zatiaľ čo kvantová mechanika nám pomohla pochopiť, ako sa tento vzťah prejavuje na úrovni najmenších častíc vo vesmíre. Spoločne vytvorili základ modernej fyziky.