Asi každý z nás sa už ocitol v situácii, keď naozaj potreboval hodiť kockou šestku. Niekto kocku pofúka, niekto požiada vyššie mocnosti, niekto uverí schopnostiam vlastnej ruky a niekto hodí kocku mimo a víťazoslávne zvolá Šestka!, dúfajúc, že mu to prejde. Všetci vieme, že hod kockou je dielom náhody…
Vďaka fyzike vieme, že ak za minútu spravíme 80 krokov, tak o 8 minút sa dostaneme do obchodu vzdialeného 640 krokov. Vieme si to vyrátať. Rovnako vieme spočítať, kam dopadne raketa, ktorú vystrelíme. Keď hodíme kockou, tiež vieme spočítať výsledok. Platí to aj naopak. Keď chceme byť v obchode o 7 minút, vieme si vyrátať, ako rýchlo musíme kráčať. Buď zvýšime počet krokov za minútu, predĺžime krok, alebo niečo medzitým. Keď chceme hodiť šestku, tak možností, ako to dosiahnuť, je ešte oveľa viac. V čom je teda problém a prečo hovoríme pri hode kockou o náhode?
Hody bez náhody
Aby sme niečo vedeli vypočítať, potrebujeme do výpočtu doplniť vstupné hodnoty. Pri určení času, za ktorý prídeme do obchodu, sú týmito hodnotami dĺžka cesty, dĺžka kroku a frekvencia krokov. Ak sme trochu nepresní pri ich určení, tak čas, kedy prídeme do obchodu, sa veľmi nelíši. Pri hode kockou je však situácia iná. Aj malá zmena v nastavení hodnôt počiatočných parametrov postačuje na to, aby sa výsledná hodnota výrazne zmenila. Hádzanie kockou sa preto javí ako náhodný proces. Čím vzdialenejšej budúcnosti sa naše predpovede týkajú, tým viac sa líšia, aj keď rozdiel počiatočných podmienok je zanedbateľný. Túto vlastnosť má okrem iného aj predpovedanie počasia či systémy troch telies (napr. Slnko, Zem a Mesiac).
Náhoda, o ktorej hovoríme v klasickej fyzike, vyjadruje našu praktickú neschopnosť určiť a kontrolovať všetky potrebné parametre týchto systémov. Napriek tomu však tieto systémy a ani ich správanie náhodné nie sú. Pri konkrétnom hode kockou padne šestka preto, lebo sme ju tak hodili. Nevieme však hodiť šestku cielene. Našu ruku neovládame dostatočne presne, kocka tiež nie je ideálna a povrch je pod mikroskopom pomerne členitý. Citlivosť výsledku na nepresnosti počiatočných nastavení ovplyvňuje predpovedateľnosť výsledku. Spôsobom hodu však môžeme zvýšiť šancu, že šestka padne. Pravdepodobnosti môžu byť predpovedateľné.
Kvantum náhody
Svetlo má vlastnosť, na ktorú naše oko nie je vôbec citlivé – polarizáciu. Vieme o nej napríklad vďaka islandskému kalcitu, bájnemu slnečnému kameňu Vikingov. Pri správnom opracovaní funguje ako polarizačný filter – zariadenie, ktoré prepustí iba svetlo určitej polarizácie. Bežné zdroje svetla nie sú polarizované, a preto polarizačný filter zníži intenzitu svetla (počet fotónov) na zhruba polovicu. Pridanie ďalšieho rovnakého polarizačného filtra túto intenzitu už viac nezníži. Prečo? Pretože po prechode prvým polarizátorom je svetlo už správne polarizované a druhý polarizátor tak nemá čo odfiltrovať. Záhada ukrytá v polarizácii sa prejaví, ak druhým polarizátorom pootočíme (okolo osi šírenia sa svetla). Intenzita svetla, ktoré prejde druhým polarizátorom, závisí od uhla pootočenia α a pri α = 90° svetlo úplne zmizne. Množstvo svetla, ktoré polarizátor odfiltruje, závisí od jeho natočenia.
Ťažšie otázky vyvstanú vtedy, keď si uvedomíme, že svetlo je zložené z fotónov. Polarizácia charakterizuje spôsob, akým šíriace sa svetlo okolo seba vyvoláva oscilácie elektrických a magnetických síl. Na úrovni fotónov je polarizácia vlastnosťou fotónu, ktorú fotón dokáže zmeniť, napríklad pri prechode polarizátorom. Ako však vysvetlíme zníženie intenzity? Predstava, že prejde iba časť fotónu, nie je správna, pretože by znamenala zmenu energie fotónu. To by znamenalo aj zmenu frekvencie. Nič také nepozorujeme, preto jednoducho platí, že polarizátor niektoré fotóny pustí a niektoré nie. Ak je uhol medzi prvým a druhým polarizátorom α = 45°, tak polovica fotónov, ktoré prešli prvým polarizátorom, prejde aj druhým a polovica neprejde. Čo rozhoduje o tom, ktorý fotón prejde a ktorý neprejde? Nevieme.
Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie Diana Cencer Garafová,
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
