Student World

Následující text je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír

Řada fyziků navrhla nové „interpretace“ kvantové mechaniky, které usilovaly o konzistentní vysvětlení problému měření a o pochopení redukce vlnové funkce. Snad nejbizarnější návrh předložil Hugh Everett ve své doktorské práci z roku 1957. Přestože Everett byl studentem Johna Wheelera na Princetonské univerzitě, měl dokonce i Wheeler první pracovní verzi této doktorské práce za „stěží srozumitelnou“. A přestože si byl Wheeler jist, že práce obsahuje velice originální myšlenku, považoval za prozíravé napsat k Everettově práci vlastní doprovodný článek, aby byla pro zkušební komisi „stravitelnější“! Everettovu nápadu bylo věnováno jen málo pozornosti, dokud o deset let později Wheelerův kolega Bryce DeWitt nenapsal článek popisující Everettův návrh jako „mnohasvětovou interpretaci“ kvantové mechaniky. Když při měření kvantové superpozice použije pozorovatel nějaký klasický měřicí přístroj, potom je z pohledu tradiční kodaňské interpretace ve skutečnosti realizován pouze jeden z možných výsledků. Tento záhadný měřicí proces nějak způsobí redukci všech možných výsledků na onen jediný pozorovaný výsledek. Everett a DeWitt tento problém odstranili úžasně odvážným způsobem – tvrdili, že realizovány jsou všechny možnosti, ovšem každá z nich v jiné kopii vesmíru. Navíc se podle DeWitta každá z těchto kopií vesmíru sama o sobě neustále množí tak, aby se mohly uskutečnit všechny možné výsledky každého měření. Jak říká DeWitt, „každý kvantový přechod, k němuž dojde na kterékoliv hvězdě, v kterékoliv galaxii, kdekoliv ve vzdáleném koutě vesmíru, rozděluje náš lokální svět do myriád kopií“. Podle této představy žádná redukce vlnové funkce nenastává – vesmír (univerzum) je nahrazen „multiverzem“ paralelních vesmírů.
Přes svůj značný půvab přináší tato představa několik problémů. Především, pokud spolu tyto oddělené vesmíry nemohou vzájemně interagovat, není vůbec jasné, jestli existuje nějaký způsob Everettovu myšlenku otestovat. Řešení problému měření, které nedává žádné předpovědi a které nelze testovat, působí bezobsažně. Dokonce i John Wheeler nakonec dospěl k závěru, že Everettovo stanovisko umožňuje pouze nový náhled na věc. Při pokusu o podrobnou formulaci této teorie by se také mohly vyskytnout vážné problémy. Feynmana znepokojovalo, že v každém z těchto odlišných vesmírů jsou podle všeho kopie každého z nás. Každý z nás ví, jak se svět dělil z našeho hlediska, a můžeme sledovat svou minulou dráhu. Když pozorujeme stopu, kterou jsme v minulosti zanechali, je výsledek stejně „reálný“, jako by byl, kdyby toto pozorování prováděl „vnější“ pozorovatel? Navíc přestože sami sebe můžeme považovat za vnější pozorovatele, když se díváme na zbytek světa, obsahuje zbytek světa pozorovatele, kteří pozorují nás. Shodneme se s nimi vždy na tom, co vidíme? Jak říká Feynman, „jde o velmi divoké spekulace, a kdybychom se o nich stále dohadovali, moc užitku by to nepřineslo.“
I Johna Bella zneklidňovaly důsledky mnohasvětové interpretace. Everett i DeWitt popisují větvení vlnové funkce do mnoha různých vesmírů jako strukturu podobnou stromu – budoucnost dané větve je nejistá, ale její minulost nikoliv. Bell byl přesvědčen, že na mikroskopické úrovni tato teorie „nespojuje konkrétní větev v přítomném okamžiku s žádnou konkrétní větví v minulosti o nic víc než s kteroukoliv konkrétní větví v budoucnosti“. Podle jeho názoru neexistuje v Everettově teorii žádná souvislost konkrétní přítomnosti s kteroukoliv konkrétní minulostí. Neexistují tudíž žádné trajektorie a konfigurace světa včetně nás se proměňuje naprosto nespojitě. Jak je potom možné, že nám připadá, že se svět mění poměrně plynule? Podle Bellova výkladu Everettových myšlenek vzniká tato spojitost díky našim vzpomínkám, které jsou jevy odehrávajícími se v přítomnosti. Bell tuto situaci přirovnává k jedné teorii stvoření vesmíru, která prohlašovala, že svět byl stvořen roku 4004 před naším letopočtem. Hromadící se poznatky o struktuře Země, které nasvědčovaly tomu, že svět existoval podstatně déle než jen po tuto dobu, nepředstavovaly pro skutečné věřící žádný problém. Poukazovali na to, že Bůh samozřejmě v roce 4004 př.n.l. vytvořil již rozeběhnutý podnik: stromy měly letokruhy, i když neuběhl odpovídající počet let, horniny byly typickými horninami a některé z nich by se vyskytovaly ve vrstvách a obsahovaly fosilie – fosilie bytostí, které nikdy nežily. Bellův závěr k Everettově teorii zní: „Kdybychom takovouto teorii brali vážně, bylo by skoro nemožné brát vážně cokoliv jiného.“
Navzdory těmto a dalším otázkám má mnohasvětová interpretace – někdy označovaná jako multiverzum – trvalou popularitu. Může se také pochlubit podporou několika význačných fyziků včetně Davida Deutsche a Stephena Hawkinga. Deutsch navrhuje obměnu mnohasvětové interpretace, v níž počet světů – byť je velmi vysoký – již dále nenarůstá. Domnívá se též, že tuto teorii je možné testovat. Jeho test je založen na kvantové interferenci, kdy se dva kvantové stavy vyvíjejí po určitou dobu odděleně a potom se znovu spojí. Celý systém pozoruje umělý mozek používající nějaký druh mikroskopické kvantové paměti. Tento mozek se tedy rozdělí do dvou kopií v různých světech. Deutschův test pak „spočívá v pozorování interferenčních jevů v mysli tohoto umělého pozorovatele“. Těmto spekulacím se již nebudeme dále věnovat.

Méně extravagantní a poněkud všednější pokus o vyřešení problému měření je známý pod jménem „dekoherence“. Tento přístup tvrdí, že kvantové systémy nemohou být nikdy zcela izolované od vnějšího prostředí a že Schrödingerovu rovnici je třeba použít nejen na daný kvantový systém, ale také na okolní kvantové prostředí, které s ním interaguje. Ve skutečném světě bude „koherence“ kvantového stavu – křehké fázové vztahy mezi různými částmi kvantové superpozice – rychle ovlivněna interakcemi se zbytkem světa mimo tento kvantový systém. Wojciech Zurek, jeden z předních stoupenců tohoto „dekoherenčního“ přístupu k problému měření, říká, že kvantová koherence „odkapává“ do okolního prostředí. V uplynulých letech jsme podle něj byli svědky rostoucí shody názorů v tom, že právě interakce kvantových systémů s okolím náhodně mění fáze v kvantové superpozici. Zbývá nám jen obyčejný nekvantový výběr mezi stavy s klasickými pravděpodobnostmi bez jakýchkoliv zvláštních interferenčních jevů. To vypadá jako velice prozaický konec problému kvantového měření! Jak k tomu dochází? Dává dekoherence vlivem okolního prostředí skutečně odpověď na všechny otázky? Podívejme se na pokus, který prý přistihl dekoherenci stavů „Schrödingerovy kočky“ přímo při činu.
Serge Haroche a Jean-Michel Raimond, kteří se svou výzkumnou skupinou pracují v Paříži, nedávno uskutečnili fascinující pokusy podporující představu dekoherence. Tyto experimenty zahrnují tři různé objekty, které spolu mohou interagovat – kvantový systém, „klasický“ měřicí přístroj a okolí. V jejich pokusu je kvantový systém tvořen atomem, který může být připraven v jednom ze dvou různých stavů. Experimentátoři kvantový stav tohoto atomu změří tak, že jej vstříknou do dutiny a elektromagnetické pole v „dutině“ použijí jako klasický „ukazatel“. Co se stane, pokud atom připravíme v kvantové superpozici dvou stavů? Jestliže na dutinu pohlížíme jako na další samostatný kvantový systém, zjistíme, že údajně klasický ukazatel by teď měl být ve stavu „Schrödingerovy kočky“ – v kvantové superpozici dvou klasických stavů „ukazatele“. Schrödingerův myšlenkový pokus pouze poukázal na podivnost této situace tím, že jako klasický ukazatel použil kočku. Jak se tomuto zdánlivému paradoxu vyhneme? Podle představy o dekoherenci musíme vzít v úvahu také nevyhnutelnou vazbu mezi ukazatelem a okolím. Ukazatel – neboli dutina – je neustále náhodně bombardován fotony, molekulami vzduchu a tak dále, které představují „okolí“. Modely tohoto náhodného procesu jakožto třetího kvantového systému ukazují, že velmi rychle dojde ke ztrátě veškerých informací o fázi obou původních atomárních stavů a jim odpovídajících poloh ukazatele. Předpokládá se, že v případě běžných klasických měřicích polí složených z mnoha fotonů by k této dekoherenci mělo dojít během neměřitelně krátké doby. Haroche a Raimond dokázali dekoherenční dobu tohoto systému zaznamenat a změřit, když použili jako ukazatel pole, které se skládalo pouze z několika fotonů. Dosáhli toho tak, že po uplynutí různě dlouhé doby posílali do dutiny po prvním atomu ještě atom druhý a měřili interferenční jevy, které závisejí na tom, jestli je vlnová funkce prvního atomu stále ještě koherentní. Na základě pozorování útlumu těchto interferenčních jevů v závislosti na zpoždění mezi průchody prvního a druhého atomu dutinou tvrdí, že „přistihli dekoherenci při činu“!
Einsteinův problém s Měsícem lze „vysvětlit“ pomocí podobného argumentu o dekoherenci. Měsíc není inertní systém – nejen že jeho jednotlivé molekuly neustále interagují se svými sousedy, ale také jeho povrch je neustále bombardován částicemi a zářením přicházejícím hlavně ze Slunce. Koherence jakéhokoliv stavu typu Schrödingerovy kočky by v případě Měsíce byla těmito neustálými interakcemi rychle zničena. Podle takovýchto argumentů o dekoherenci si můžeme být jisti, že Měsíc přece jenom na obloze je, dokonce i když se na něj nedíváme. Bombardování slunečními fotony je dostatečně silné, aby představovalo měření a zničilo veškerou kvantovou koherenci.
Uspokojily by tyto argumenty o dekoherenci Johna Bella jako vysvětlení problému měření? Nejspíš ne! Jako kvantový systém jsme popsali nejen pozorovaný kvantový systém, ale i měřicí přístroj. Kvantová vlnová funkce tohoto kombinovaného systému bude superpozicí stavů odpovídajících různým klasickým stavům měřicího přístroje stejně jako v experimentu, který uskutečnili Haroche a Raimond. Argument o dekoherenci říká, že musíme vzít v úvahu i okolí jakožto třetí kvantový systém interagující s naším měřicím přístrojem. V důsledku toho rychle dojde k náhodnému rozházení fází a kvantová superpozice bude ve skutečnosti redukována na součet různých možných výsledků s klasickými pravděpodobnostmi. Bell v tomto přístupu viděl dva problémy. Zaprvé se všechny kvantové stavy – stav systému, měřicího přístroje i okolí – vyvíjejí podle Schrödingerovy rovnice. Matematicky není možné, aby se v důsledku tohoto vývoje koherentní kvantová superpozice změnila na nekoherentní součet pravděpodobností. I když je jistě pravda, že konkrétní měření, která se obvykle rozhodneme uskutečnit, vykazují jen malou či žádnou kvantovou koherenci, Bell tvrdí, že v principu neexistuje nic, co by nám zabránilo uvažovat o odlišných typech měření, u nichž by toto neplatilo. Jak kdysi řekl:

Jelikož nám v principu nic nebrání v úvahách o libovolně složitých pozorovatelných veličinách, nelze mluvit o redukci vlnového balíku. Zatímco pro libovolnou pozorovatelnou veličinu lze nalézt dobu, během níž je tato nechtěná interference tak malá, jak si přejete, pro libovolný čas lze nalézt pozorovatelnou veličinu, pro kterou je tato interference tak velká, jak si nepřejete.

Podle Bellovy představy by měl libovolný mechanismus vysvětlující tuto redukci platit i pro malé systémy a neměl by spoléhat na „zákony velkých čísel“. Další problém se týkal samotného měření. I když přijmeme myšlenku, že dekoherence redukuje daný problém na pravděpodobnostní výběr mezi různými výsledky, dekoherence nám nijak neříká, jak je kteréhokoliv konkrétního výsledku dosaženo. Bell souhlasil s tím, že měření v kvantové mechanice jsou reálná, měl však silný pocit, že pokud nebudeme „přesně vědět, kdy a jak nabývá [redukce vlnové funkce] vrchu nad Schrödingerovou rovnicí, nebudeme mít přesnou a jednoznačnou formulaci naší nejfundamentálnější fyzikální teorie“.
K tématu měření v kvantové mechanice toho je možné říct ještě mnohem víc. Velcí fyzikové z doby počátků kvantové mechaniky, například John von Neumann a Eugene Wigner, dokonce prohlašovali, že právě vědomí pozorovatele je onou fundamentální příčinou redukce vlnové funkce. Rudolf Peierls prosazoval přístup založený na vědomostech a informacích. Roger Penrose je přesvědčen, že redukce vlnového balíku je způsobena kvantovou gravitací. Robert Griffiths, Murray Gell-Mann, James Hartle a Roland Omnes zastávají opět jiné stanovisko a raději tento problém popisují pomocí „kvantových historií“. V našem stručném výkladu o problému měření jsme se této debaty pouze letmo dotkli. Doufáme, že tato rozmanitost názorů čtenáře nevystraší – naopak by jej mohlo povzbudit, že mezi těmito velkými fyziky panují takové zjevné rozpory! Kvantová mechanika dosud není uzavřenou kapitolou a 21. století nám možná přichystá ještě pár překvapení.

Tento text (+ obrázky, schémata a grafy) je úryvkem z knihy Nový kvantový vesmír
Tony Hey, Patrick Walters: Nový kvantový vesmír, Argo a Dokořán, Praha, 2005,
http://argo.kosmas.cz/detail.asp?id=126447
http://www.dokoran.cz/index.php?p=book.php&id=188

Anotace vydavatele:
"Poutavý a zasvěcený úvod do jedné z nejvlivnějších teorií 20. století určený laikům a založený na příkladech z každodenního života. Máme před sebou knihu, jež na základě středoškolských znalostí dokáže pomocí v podstatě nematematického výkladu zprostředkovat vhled do základních principů, jimiž se řídí kvantový svět. Autoři se zabývají rovněž oblíbenými kvantovými paradoxy a dávají čtenáři na výběr několik možných vysvětlení. Důležitost kvantové teorie vysvitne i v souvislosti s nadcházející nanotechnologickou revolucí, která bude zřejmě v tomto století určovat směr rozvoje technologií a spolu s kvantovou kryptografií a kvantovými počítači se přiblíží až na samou hranici snů z oblasti vědecko-fantastické literatury, jíž ostatně autoři vyhradili celou jednu kapitolu v závěru knihy. Srozumitelný a živý výklad je doprovázen četnými pečlivě zvolenými fotografiemi a přehlednými diagramy. Tato působivá a propracovaná kniha je nepochybně čtivým dárkem pro všechny zájemce o tajemnou a lákavou kvantovou teorii."

autor