Článek
Znáte přísloví, které říká, že „sledovaný hrnec nikdy nezačne vařit“? V našem běžném makroskopickém světě je to jen psychologická iluze. Čas se vleče, když na něco netrpělivě čekáme. Voda nakonec vždy začne bublat, ať už z ní spustíte oči, nebo do ní zíráte s maximálním soustředěním. Objektivní realita se přece nemůže změnit jen proto, že ji někdo pozoruje. Nebo snad ano?
Vědci dlouho netušili, že toto nevinné přísloví skrývá jednu z nejděsivějších a nejvíce fascinujících pravd o fungování našeho vesmíru. Když totiž sestoupíme z úrovně hrnců a vody do temných, mikroskopických hlubin subatomárních částic, pravidla hry se radikálně mění.
V mikrosvětě neexistují pevné, jasně ohraničené objekty tak, jak je známe. Namísto toho zde vládne kvantová mechanika. V jejím pojetí částice neexistují na jednom konkrétním místě, dokud nejsou změřeny. Existují v takzvané superpozici – v jakýchsi nejasných oblacích pravděpodobností, kde dělají všechno a nic zároveň. Mění se, vyvíjejí se a oscilují mezi různými stavy.
Ale pak přijde moment měření. Samotný akt pozorování částici doslova přinutí vybrat si jeden jediný stav.
Experiment, ze kterého vědcům ztuhla krev v žilách
Píše se rok 2015. Výzkumný tým vedený profesorem Mukundem Vengalattorem z Cornellovy univerzity provádí experiment, který zní spíše jako zápletka sci-fi thrilleru než jako běžná laboratorní práce.
Vědci uzavřeli oblak zhruba miliardy atomů rubidia do vakuové komory a ochladili je na teplotu blížící se absolutní nule. V tomto extrémním stavu měly atomy začít přecházet z jednoho kvantového stavu do druhého. Očekávalo se, že budou volně „protékat“ a měnit své vlastnosti, což je přirozený vývoj v kvantovém světě. Vědci zapnuli lasery, aby atomy pozorovali.
A pak se to stalo.
Když vědci atomy nesledovali, vyvíjely se přesně podle matematických modelů. Ale jakmile laserové pulzy (tedy nástroje měření) zrychlili a začali atomy pozorovat neustále, vývoj se zastavil. Atomy naprosto zamrzly v čase.
Bylo to, jako bychom ty částice paralyzovali pouhým pohledem. Čím častěji jsme se ptali, v jakém jsou stavu, tím menší byla šance, že se ten stav změní. Jeden ze zúčastněných výzkumníků
Tento jev nebyl izolovanou chybou měření. Už v roce 1990 v laboratořích Národního institutu standardů a technologie (NIST) v americkém Coloradu provedl tým pod vedením Waynea Itana přelomový experiment s ionty beryllia. Výsledek byl naprosto totožný. Čím častěji systém měřili, tím více bránili částicím v přechodu do jiného energetického stavu.
Hmota se zkrátka odmítala změnit, dokud byla pod dohledem.
Kvantová schovávaná: Oblaka možností a realita, která se brání
Abychom pochopili, co se v těchto chladných vakuových komorách vlastně děje, musíme si pomoci analogií z běžného života.
Představte si, že pečete na přípravu náročný, nadýchaný dort (takzvané soufflé). Pokud ho vložíte do trouby a necháte ho v klidu, těsto se postupně zvedne a upeče. Pokud ale každou vteřinu nedočkavě otevřete dvířka trouby, abyste se podívali, jak pečení probíhá, teplo vypustíte ven. Proces pečení se neustále resetuje. Kvůli vašemu neustálému pozorování se dort nikdy neupeče. Zůstane navždy syrový.
V kvantovém světě probíhá „pečení“ na úrovni pravděpodobnostní vlny. Podle slavné Schrödingerovy rovnice se kvantový systém vyvíjí v čase plynule. Vlna možností se rozšiřuje. Jakmile však provedete měření, tato vlna „zkolabuje“. Částice se ukáže v jednom jasném bodě.
- Krok 1: Částice je změřena (zkolabuje do stavu A).
- Krok 2: Částice začne okamžitě vyvíjet novou vlnu možností (cesta ke stavu B).
- Krok 3: Pokud počkáte, částice přejde do stavu B.
- Krok 4: Pokud ale měření zopakujete téměř okamžitě, vlna nestihne vyrůst. Částice je znovu donucena zkolabovat zpět do stavu A.
Pokud frekvenci měření zvýšíte natolik, že se délky intervalů mezi pohledy budou limitně blížit nule, částice je v podstatě uvězněna ve svém počátečním stavu navždy.
Klíčový objev: Vstupte do paradoxu jménem kvantový Zénónův jev
Tento neuvěřitelný jev, který dokazuje, že pozorování je aktivní fyzikální proces schopný zastavit časový vývoj částice, dostal své jméno v roce 1977.
Dva teoretičtí fyzikové, George Sudarshan a Baidyanath Misra, tehdy publikovali ve vědeckém žurnálu Journal of Mathematical Physics studii, která tento proces matematicky dokázala dlouho předtím, než ho lasery potvrdily v praxi. Nazvali ho kvantový Zénónův jev (či efekt).
Inspirací jim byl starověký řecký filozof Zénón z Eleje a jeho slavný paradox letícího šípu. Zénón tvrdil, že pokud se na letící šíp podíváme v jakémkoliv konkrétním, nekonečně krátkém okamžiku, šíp se zrovna nepohybuje – visí ve vzduchu. A pokud se čas skládá z těchto zmrazených okamžiků, je pohyb pouhou iluzí.
Zatímco v makrosvětě je Zénónův paradox jen logickou hříčkou, Sudarshan a Misra dokázali, že v kvantové mechanice má Zénón absolutní pravdu. Rychle po sobě jdoucí momentky (měření) doslova zabrání kvantovému „šípu“ v letu.
Budoucnost: Můžeme tento fenomén využít v náš prospěch?
Fakt, že naše oči (respektive měřicí přístroje) dokážou měnit chování vesmíru, zní sice jako filozofické zjevení, ale vědci už dnes přemýšlejí, jak tento fyzikální trik využít v praxi.
Největší potenciál leží v oblasti kvantových počítačů. Kvantové počítače jsou extrémně křehké. Informace uložené v takzvaných qubitech se snadno zničí interakcí s okolním prostředím – tento proces se nazývá dekoherence. Je to podobné jako by se vám snažil někdo neustále rozfoukat hromádku prachu.
Pokud však inženýři aplikují principy kvantového Zénónova jevu, mohli by tyto křehké informace „uzamknout“ na místě. Neustálým a promyšleným prováděním drobných měření lze qubity donutit, aby zůstaly ve svém správném, nezkorumpovaném stavu. Systém se stane imunním vůči rozpadu. Zmrazení času se tak stane štítem chránícím superpočítače budoucnosti.
Až si tedy příště budete vařit vodu na těstoviny a budete netrpělivě zírat na hladinu, vzpomeňte si na Zénónův paradox. Voda sice vřít začne, protože jste příliš velcí a řídíte se klasickou fyzikou. Ale hluboko uvnitř, na úrovni atomů, ze kterých se skládáte vy, ten hrnec i celý vesmír, je realita mnohem tvárnější. Vaše pozornost je hybnou silou přírody a samotný pohled má moc zastavit čas.
P.S.
Díky, že jste se mnou dnes sestoupili do hlubin, kde pouhý pohled dokáže zastavit čas. Pokud vám tento výlet do světa kvantových paradoxů a „zamrzlých atomů“ pomohl nahlédnout na naši realitu novýma očima, budu moc vděčný za drobnou finanční podporu. Pomůže mi to pro vás i nadále rozplétat tyto neuvěřitelné záhady vesmíru. Děkuji vám!
