Kvantová Fyzika jako Jazyk Přírody: Vysvětlení Základů

Kvantová fyzika je soustavou fyzikálních teorií, která souběžně s Einsteinovou teorií relativity ve 20. století předefinovala do té doby platné základy klasické fyziky. Zatímco teorie relativity vysvětluje především kosmologické otázky týkající se velkých celků, kvantová fyzika se primárně týká nejmenších, tzv. elementárních částic. Obě teorie, které se experimentálně potvrdily, se však nedaří sloučit do jednoho funkčního celku.

Počátky a Vývoj Kvantové Teorie

Když v roce 1900 německý fyzik Max Planck vysvětlil záhadné záření černého tělesa pomocí kvantové hypotézy, položil tím základy kvantové mechaniky. Počátky kvantové teorie sahají k přelomu 19. a 20. století, kdy Max Planck odvodil vztah pro frekvenční rozdělení energie záření černého tělesa z předpokladu, že světlo je vyzařováno po malých kvantech, jejichž energie je úměrná frekvenci (konstanta úměrnosti se nazývá Planckovou konstantou). Bohrův model atomu (1913) vysvětloval rozložení spektrálních čar vodíku. Předpokládal, že moment hybnosti elektronu je celým násobkem Planckovy konstanty.

Na počátku dvacátých let kvantová mechanika pomáhala vysvětlit pouze mikroskopické jevy. De Broglie tedy navrhl uvažovat u veškeré látky dvojí podstatu, vlnovou a částicovou. Roku 1926 E. W. Heisenberg zobecnil Hamiltonovy rovnice, čímž ukázal, že klasická mechanika je limitním případem mechaniky kvantové.

Okolo tohoto oboru se točilo velké množství zvídavých studentů - v němčině se mu dokonce přezdívalo Knabenphysik, tedy něco jako fyzika mladých hochů. Letos v červnu při příležitosti stého výročí kvantovky vydalo nakladatelství Cambridge University Press knihu Women in the History of Quantum Physics. Beyond Knabenphysik, ve které představuje 16 pozoruhodných kvantových fyziček, mezi jinými Johannu van Leeuwen, Lauru Chalk Rowles nebo Elizabeth Monroe Boggs.

Základní Principy Kvantové Fyziky

Kvantová fyzika vychází z toho, že určité měřitelné veličiny se nemění spojitě (plynule), ale v násobcích určitého minimálního množství zvaného kvantum, které je dané Planckovou konstantou(h). Základní rovnicí kvantové fyziky je rovnice E=h•f. E je energie, h je Planckova konstanta a f je frekvence. K dalším základním principům patří to, že částice lze současně popsat i jako vlny (dualita částice a vlnění), nelze současně změřit jejich polohu a hybnost (princip neurčitosti) nebo že pozorování má vliv na pozorovaný systém.

Čtěte také: Příroda a kvantová fyzika

Na rozdíl od klasické fyziky se v kvantové fyzice stav systému popisuje nikoli přímo měřitelnými veličinami (poloha , hybnost , energie , …), ale speciální funkcí - stavovým vektorem (vlnová funkce , nejobecněji matice hustoty určující soubor vlnových funkcí s různými pravděpodobnostmi). Zatímco klasická fyzika předpokládá, že měření lze provést tak, aby jeho vliv na měřený objekt byl zanedbatelný, kvantová fyzika má jiný postup.

Dualita Částice a Vlnění

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. 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. 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.

Princip Neurčitosti

Další klíčovou myšlenkou je tzv. Heisenbergův princip neurčitosti. Ten říká, že u částic nemůžeme zároveň přesně znát jejich polohu a rychlost (nebo hybnost). Čím přesněji zjistíme jedno, tím méně přesně víme druhé. Z toho vyplývá, že kvantová mechanika nedokáže přesně předpovědět, co se stane, ale umí spočítat, s jakou pravděpodobností se něco stane.

Superpozice a Kolaps Vlnové Funkce

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.

Čtěte také: Fyzika v přírodě

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.

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. 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.

Schrödingerova Kočka

Kvantová superpozice a kolaps vlnové funkce tvoří podstatu slavného myšlenkového experimentu Erwina Schrödingera: V uzavřené krabici se nachází kočka a nádobka s jedem, kterou ovládá zařízení s náhodně se rozpadajícím izotopem. Pokud se izotop rozpadne, nádobka se otevře a jed zvíře zahubí. Až do otevření krabice však zmíněný nuklid zůstává v superpozici, tedy zároveň rozložený i nerozložený.

Vtip je v tom, že by se v superpozici měla nacházet celá soustava, a také kočka by tudíž měla být současně živá i mrtvá. „Při přednáškách pro veřejnost se na ni ptám. Z celého sálu se mi hlásí les rukou od desetiletých dětí po seniory. Jinou záležitostí je, jestli všichni rozumějí, o co jde. O osudu kočky v krabici rozhoduje kvantový systém v superpozici dvou stavů, kdy jeden vede ke smrti, druhý nikoli. Její stav zjistíme otevřením víka. Je ale třeba si uvědomit, že jde o „myšlenkový experiment“, jenž má ukázat, že uplatnění kvantové teorie na velký objekt typu domácího zvířete by vedlo k paradoxům, jako je kočka, která je živá i mrtvá zároveň.

Vliv Kvantové Fyziky na Technologii

Poznání kvantového světa vedlo k objevu tranzistoru a elektronického čipu, laseru, ale i optického kabelu nebo fotovoltaiky. Dosavadní výpočetní technika pracuje s informační jednotkou bit, která může být buď jedničkou, nebo nulou. Zato kvantový počítač používá qubity, jež můžou existovat v lineární superpozici nuly a jedničky. Letos v září se v ostravském výzkumném středisku IT4Innovations spustil dlouho očekávaný kvantový počítač VLQ s kapacitou 24 qubitů.

Čtěte také: Vybavení škol pro výuku fyziky

Kvantová Teorie Pole

Kvantová mechanika narážela na dva zásadní problémy. mechanikou s konečným a předem daným počtem stupňů volnosti. Není tedy možné uvažovat proměnlivé množství částic (př. neslučitelná se speciální relativitou. Záleží na pořadí operátorů souřadnice a generátorů Lorentzovy transformace. Kvantová teorie pole oba tyto problémy řeší. Od začátku je budována pro systémy s nekonečným počtem stupňů volnosti, kde není nutné, aby v daném stavu byl počet částic pevně daný. Na druhý problém v teorii pole také nenarážíme, poněvadž v ní prostorová souřadnice vystupuje spolu s časem jako parametr, nikoliv jako dynamická proměnná, jak je tomu v kvantové mechanice.

Korektním zahrnutím teorie relativity je dosaženo přesnějšího popisu procesů, kdy kinetická energie některých z částic je srovnatelná s jejich klidovou energií či vyšší. Ve třicátých letech 20. století se jednalo především o β-rozpad neutronu (kvůli uvolněnému lehkému neutrinu) a pochopitelně všech procesů s fotony. Relativistická kvantová teorie pole se proto rozvinula velmi záhy v podobě Fermiho teorie β-rozpadu (1934) a později kvantové elektrodynamiky (konec 40. let), k jejímž hlavním autorům patří P. Dirac, F. Dyson, J. Schwinger, R. Feynman a Š.

Renormalizace

Zásadním problémem v poruchové formulaci teorie pole byl výskyt nekonečných koeficientů ve vyšších korekcích k základní aproximaci. Řešením se ukázala být procedura zvaná renormalizace, která odstraňuje nekonečné hodnoty pomocí předefinování fyzikálních konstant vystupujících v rovnicích, jako jsou náboje či hmotnosti částic. Ačkoliv matematická konzistence této procedury není zcela uspokojivá, vede k velmi dobré shodě s experimentem a stala se nedílnou součástí současné kvantové teorie.

Mnoho fyziků, mj. Renormalizovatelnost je (v užším smyslu) aplikovatelná jen na určitou třídu teorií, zvaných renormalizovatelné. Renormalizovatelnost je užitečným kritériem pro rozhodování, zda určitá teorie pole je přípustná pro popis v přírodě se vyskytujících procesů.

Kvantování

Zavedení operátorů je klíčové pro proceduru zvanou kvantování. Kvantováním se nazývá postup vedoucí k „odvození“ kvantových pohybových rovnic ze znalosti příslušného klasického systému. Určíme základní pozorovatelné, obvykle souřadnici a hybnost, a přiřadíme jim operátory. Tyto pozorovatelné jsou vzájemně konjugované, tj. klasicky platí, že jejich Poissonova závorka je rovna jedné.

Přiřazené kvantové operátory musí být nekomutující a jejich komutátor musí být roven imaginární jednotce násobené redukovanou Planckovou konstantou. Standardní volba v kvantové mechanice je, že jeden z operátorů (třeba souřadnice) je reprezentován násobením argumentem vlnové funkce, tj. , zatímco druhý operátor (hybnost) je reprezentován i-násobkem operátoru derivace: . Pokud operátor násobení zvolíme jako souřadnici, mluvíme o souřadnicové reprezentaci, pokud násobícím operátorem je hybnost, mluvíme o reprezentaci hybnostní (impulsové).

tags: #kvantová #fyzika #jako #jazyk #přírody #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Účinný pomocník pro čištění ucpaných trubek
• Inspirativní transformace odpadu
• Problém s emisemi Citroën C3
• Co je Aqua Primární Emise?
• Environmentální vzdělávání a dotace