Nerušte vlny, zrušte častice
„Noli tangere circulos meos“, teda „nedotýkajte sa mojich častíc“, povedal vraj Archimedes zo Syrakúz predtým, ako ho prebodol rímsky vojak kopijou. Môžeme si len domýšľať, čo presne tým myslel. Celkom dobre však vystihol, ako kvantový svet vníma naše pokusy pochopiť ho vrátane dôsledkov.
Ak hodíme do vody kameň, tak sa po inak pokojnej hladine začnú šíriť kruhy. Vzniknú kruhové vlny, ktoré rozhojdajú kačku na hladine. Zo svojho miesta sa však nepohne. Tieto kruhové vlny neprenášajú žiadnu hmotnosť, iba energiu. Energiu, ktorú kmitajúca kačka týmto vlnám čiastočne odoberie. Príde k ich narušeniu a dôsledkom je ich mierny útlm.
Narušené kruhy
S tým istým obrazom sa stretávame aj vo fyzike kvantových systémov, iba “kvantové vlny” sú trochu abstraktnejším objektom. Namiesto energie prenášajú pravdepodobnosti. Nie jednu, ale pravdepodobnosti všetkého, čo môžeme pozorovať – aj pravdepodobnosti energie, aj pravdepodobnosti rýchlosti, aj pravdepodobnosti polohy, atď. Samotné kvantové vlny nie sú priamo viditeľné a nevieme sa ich dotknúť našimi zmyslami. O ich existencii vieme pomocou prístrojov, ktoré čakajú, podobne ako tá kačka, na hladine vody, kým celý kvantový systém narušia.
Youngov dvojštrbinový experiment – súboj častice vs. vlny
Je tu však ešte jeden dôležitý rozdiel. Predstavme si, že na hladine desať kačiek, všetky rovnako ďaleko od miesta, kde “kameň” čľupol do vody a vytvoril tak kvantový systém. V prípade vodnej hladiny očakávame, že všetkých 10 kačiek sa rozhojdá. Na kvantovej hladine sa však rozhojdá iba jediná. Ktorá? To je výsledkom kvantovej náhody. Ak by sme však zopakovali experiment 1000-krát, každá z nich by sa rozhojdala zhruba 100-krát.
Pri narušení kvantovej vlny pôvodná vlna zmizne, alebo sa zmení na vlnu úplne inú. Napríklad fotón, ktorý je popísaný ako kvantová vlna, pri pokuse o prechod cez polarizátor buď úplne zanikne, alebo pokračuje ďalej ako kvantová vlna určitej konkrétnej polarizácie. Výsledná polarizácia pritom nijako nesúvisí s polarizáciou, ktorú mal fotón pôvodne. Narušenie kvantovej vlny je preto oveľa dramatickejším aktom ako iba rozhojdanie objektu na hladine vody. Proces merania doslova “materializuje” vlastnosti a vnáša do nich prvok skutočnej náhody.
Svetlo verzus štrbiny
V 18. storočí sa škriepili Isaac Newton a Christiaan Huygens o podstate svetla. Newton považoval svetlo za prúd častíc, kdežto Huygens uvažoval o svetle ako o vlnení. V roku 1801 zrealizoval Thomas Young jeden z najznámejších pokusov vo fyzike – dvojštrbinový experiment, ktorého cieľom bolo experimentálne rozhodnúť, kto z nich má pravdu. Jednofarebnému svetlu kolmo do cesty postavil prekážku, ktorá mala v sebe dve úzke štrbiny relatívne blízko pri sebe. Cez štrbiny sa svetlo dostalo za prekážku, a na fotografickej platni umiestnenej za prekážkou pozoroval, kam všade svetlo dopadne.
Ak má pravdu Isaac Newton, tak výsledné osvetlenie steny bude súčtom osvetlení, ktoré by vznikli, ak by bola otvorená iba jedna zo štrbín. Jednoducho sa sčítajú počty častíc, ktoré preleteli prvou alebo druhou štrbinou a dopadli na fotoplatňu. Výsledkom je prekrytie dvoch osvetlených pruhov navzájom posunutých podľa toho ako ďaleko sú od seba štrbiny umiestnené.
Podľa predstáv Christiana Hyugensa je každá zo štrbín zdrojom vlnenia. Za prekážkou tak vzniknú dve polkruhové svetelné vlny, ktoré keď na seba narazia, sčítajú sa ako vlny. Sú miesta, v ktorých sa navzájom zosilnia, ale aj miesta, kde sa navzájom vyrušia. Namiesto prekrytia dvoch osvetlených pruhov vzniknú na platni svetlé a tmavé pásy, ktoré vytvoria tzv. interferenčný obrazec.
Vlny, vlnky, častice
Obrazy sveta X
Dvojštrbinový experiment je myšlienkovo najjednoduchším typom interferenčného experimentu – prechodu vĺn cez prostredie s prekážkami. Štruktúrne usporiadanie a vlastnosti prekážok je možné identifikovať podľa vzniknutého interferenčného obrazu. Príkladom prostredia s prekážkami je aj kryštálová mriežka – pravidelne usporiadané atómy prvkov tvoriace napríklad kuchynskú soľ, alebo diamant. Vo februári 1912 dostal fyzik Max von Laue nápad použiť na overenie hypotézy kryštalickej štruktúry RTG žiarenie, ktorého vlnová dĺžka zodpovedá očakávaným vzdialenostiam medzi atómami.
Pomocou žiarenia X objaveného W. C. Röntgenom a vďaka nápadu Maxa von Laue študujeme v súčasnosti priamym pohľadom štruktúru hmoty
Interferencie hmoty
Pri skúmaní štruktúry hmoty môžeme RTG žiarenie nahradiť elektrónmi, ktoré majú podobnú vlnovú dĺžku. Vlnová podstata elektrónov bola dokázaná nezávisle v dvoch difrakčných experimentoch v roku 1927 – Clinton Davisson a Lester Germer pozorovali difrakciu elektrónov na kryštále niklu, a George P. Thomson (syn objaviteľa elektrónu ako častice) s doktorandom Alexandrom Reidom pozorovali difrakciu elektrónov na tenkých kovových fóliách z hliníka, zlata a platiny. V porovnaní s RTG fotónmi sú elektróny vhodnejšie pri menších vzorkách, ako sú proteíny, alebo tenké 2D kryštály, ktorými RTG fotóny prejdú bez povšimnutia. Nabité elektróny silnejšie interagujú s jadrami atómov, ale nepreniknú cez materiály hrubšie ako mikrometer. Po elektróne nasledovali interferenčné experimenty ilustrujúce vlnovú podstatu neutrónov, ostatných kvantových častíc, a dokonca aj atómov a molekúl. Skupina Marcusa Arndta vo Viedni má dlohodobý cieľ vidieť interferovať vírusy.
Vlnová podstata hmoty je postupne experimentálne overovaná pre čoraz väčšie systémy – experimenty pre mnohé iné systémy sú v obrázku vynechané. Skupina Marcusa Arndta vo Viedni má dlhodobý cieľ vidieť interferovať vírusy
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: wikipedia public domain, www.nobelprize.org