Záhady kvantové fyziky

Jan Vršinský  |  
Pavel Cejnar

Kvantová fyzika zkoumá jevy v nitru hmoty. Je to fyzika mikrosvěta – tedy světa částic, atomů a procesů, které jsou z sice pohledu makroskopického světa subtilní, ale přitom velice podstatné pro jeho ukotvení.O historii, záhadách i praktické využitelnosti kvantové fyziky jsme mluvili s Pavlem Cejnarem z Ústavu částicové a jaderné fyziky Matematicko- fyzikální fakulty UK.

Jaká je historie kvantové fyziky?

Kvantová fyzika má spletitou historii, kterou odstartoval Max Planck v roce 1900, kdy přišel s hypotézou fotonů. Planck tvrdil, že světlo se nešíří prostřednictvím vln, ale jako proud částic. To byl revoluční přístup, protože celé 19. století ve vědě vítězila vlnová teorie světla. Planckův objev později potvrdil také Albert Einstein. Brzy se začalo hovořit o tom, jak vlastně atomy drží při sobě, a vědci dospěli k závěru, že podle klasické fyziky atomy nemohou být stabilní. V roce 1912 tak Niels Bohr navrhl svůj slavný model atomu a zrodilo se to, čemu dnes říkáme kvantová teorie. Ta už ve své první podobě představovala radikální odklon od klasické fyziky. Později bylo nutné Bohrův model a celou starou kvantovou teorii přeformulovat. To se podařilo Erwinu Schrödingerovi, jehož vlnová rovnice z roku 1926 popisuje časový vývoj kvantových objektů. Pro kvantovou fyziku je Schrödingerova rovnice něčím takovým, jako je Newtonova rovnice pro fyziku klasickou. Následovalo pochopení, jak se kvantová teorie dá zkombinovat s teorií relativity. Tím už se ale dostáváme až k dnešním představám o elementárních částicích hmoty a jejich interakcích. Ve 30. letech se postupně začaly objevovat i názory, které poukazovaly na paradoxy a podivnosti kvantové teorie. Sám Schrödinger přišel se svým paradoxem kočky, a dokonce neoficiálně prohlásil, že lituje, že se kdy do kvantové teorie pustil. Kvantovou teorii zpochybňoval také Einstein. Dodnes jsou v kvantové teorii otevřené otázky.

Co to je „Schrödingerova kočka“?

Kvantová fyzika předpokládá zvláštní stavy mikroskopických objektů, kterým se říká kvantové superpozice. To znamená, že objekt, např. atom nebo elektron, se nenachází v žádném pevném bodě, ale je jakoby rozptýlený v celém prostoru. Tento jev nepřímo známe na mikroskopické úrovni, ale v našem makroskopickém světě s ním nemáme žádnou zkušenost. Schrödinger se však pokusil ukázat, že takové jevy se mohou odehrávat i v makrosvětě, a jako názorný příklad použil právě kočku. Podstata jeho paradoxu je v tom, že za určitých okolností – v interakci s vhodným kvantovým systémem – se kočka může dostat do stavu, kdy je jakoby živá i mrtvá současně, a teprve vnější pozorovatel rozhodne, zda doopravdy žije, nebo ne. Znamená to tedy, že takové stavy jsou možné i v obyčejném světě? Proč se s nimi tedy nesetkáváme? A když připustíme, že se vyskytují jen v mikrosvětě, tak na jaké úrovni se ztrácejí?

Čím se zabývá kvantová fyzika dnes?

Největším oborem je fyzika pevných látek, molekul a kondenzovaných soustav. Významná je také fyzika elementárních částic, atomových jader a kvantová optika. Dnes můžeme v laboratoři vytvářet umělé objekty, např. shluky atomů, které se chovají podle ryze kvantových pravidel. Také postupně přecházíme od údivu nad paradoxy kvantové fyziky k jejich praktickému využití. Například slavný paradox Einsteina, Podolského a Rosena ukázal, že v kvantovém světě existují prazvláštní soustavy provázaných kvantových objektů, v nichž se žádný z objektů sám o sobě nenachází v přesně definovaném stavu. Představte si dvojici takto kvantově provázaných fotonů. Teprve měření na jednom z fotonů ukáže, v jakém stavu je ten druhý – bez ohledu na to, jak jsou tyto fotony v okamžiku měření od sebe daleko. Tenkrát se této zvláštnosti vědci divili, dnes se možná divíme stále, ale zároveň hledáme způsoby, jak by se toho dalo využít. Právě tak vznikla idea kvantových počítačů nebo kvantové teleportace.

Kdy si půjdeme do obchodu koupit kvantový počítač?

Otázka je, jestli se kvantové počítače vůbec někdy budou prodávat. Možná se to ukáže jako nesplnitelný cíl. Vývoj kvantových počítačů se dá dobře přiblížit na úloze faktorizace. Ta spočívá v tom, že dostanete číslo, které vzniklo vynásobením dvou obrovských prvočísel, a máte určit, o která prvočísla šlo. Na obyčejném počítači trvá výpočet velmi dlouho, je to dnes prakticky nezvladatelná úloha, ale pomocí kvantového počítače by řešení bylo velmi rychlé. Dnešní pokusy s kvantovým počítáním umí problém faktorizace vyřešit např. pro číslo 15, tedy součin 5×3, ale to je samozřejmě o mnoho řádů méně, než bychom potřebovali. K úspěchu je zapotřebí udržovat v neporušeném kvantovém stavu obrovský počet atomů. Dnes takto umíme pracovat se dvěma třemi kvantovými objekty, přitom bychom jich potřebovali desetitisíce.

S jakými fenomény kvantové fyziky se setkáváme v běžném životě?

Kvantové jevy využívá například elektronika, ať už jde o polovodičové prvky počítačů nebo o hard disky a podobně, dále také lasery, tomografy, tunelové mikroskopy a další. Dalo by se říci, že dnešní technologie do značné míry přímo či nepřímo stojí na kvantové fyzice.

Nejčtenější