Noli tangere circulos meos, teda nedotýkajte sa mojich kruhov, 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 hojdajúca sa 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.
Je tu však ešte jeden dôležitý rozdiel. Predstavme si, že je 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 desať kačiek sa rozhojdá. Na kvantovej hladine sa však rozhojdá iba jediná. Ktorá? To je výsledkom kvantovej náhody. Keby sme však zopakovali experiment tisíckrát, každá z nich by sa rozhojdala približne stokrát.
Pri narušení kvantovej vlny pôvodná vlna buď zmizne, alebo sa zmení na úplne inú vlnu. 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, kým Huygens uvažoval o svetle ako o vlnení. V roku 1801 vykonal 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 I. Newton, tak výsledné osvetlenie steny bude súčtom osvetlení, ktoré by vznikli, keby 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 Ch. Huygensa 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 zrušia. Namiesto prekrytia dvoch osvetlených pruhov vzniknú na platni svetlé a tmavé pásy, ktoré vytvoria tzv. interferenčný obrazec.
Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Foto a ilustrácie Diana Cencer Garafová,
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
