KVANTOVÝ SVĚT
Kvantový svět
"Mikrosvět není zmenšený makrosvět."
Pod naším notoricky známým a předvídatelným světem leží jiný, divoký, bouřlivý a selským rozumem nepochopitelný. Nic v něm není pevně dané, nekonečně možností existuje vedle sebe. Zákony, které utvářejí vesmír, tam zdánlivě neplatí. Pouhým pohledem tam můžete ničit, bořit a provádět drastické změny.
Přestože je makrosvět tvořen světem atomů a molekul, v obou světech panují diametrálně odlišná pravidla. Klasická fyzika se transformuje do neuvěřitelné kvantové mechaniky. Hmota a energie přestávají existovat samostatně a jejich vlastnosti se u všech částic prolínají. Do našeho klidného a předvídatelného makrosvěta se ale žádné kvantové děje za normálních podmínek nepromítají.
Jenže co kdyby...
Normální ráno
John se probudil. Hned tahle věta nedávala v jeho světě smysl, protože John spal, probouzel se i bděl ve stejném okamžiku. Ohledně času probuzení a vstávání se totiž mohlo odehrát téměř nespočet možností a tady se realizovaly všechny.
Když se tedy John probudil, spousty jeho dvojníků se už procházely po bytě, prováděly v koupelně ranní hygienu nebo třeba pouštěly televizi. A když vstal z postele, uviděl na ní ležet další spousty dvojníků, z nichž se každým okamžikem některý probral a vzápětí vstal.
John byl na tuhle situaci zvyklý, neboť se opakovala každé ráno. Věděl, že není možné říci, který z nekonečna mužů je John, protože Johnem byli všichni. Šlo o ukázky pravděpodobnosti, jež si byly rovnocenné. Každá zobrazovala jeden z ohromného množství scénářů, které se mohly během obyčejného rána odehrát. Někteří Johnové se jevili jako reálné postavy, jiní se zdáli skoro průhlední. Každá možnost se totiž měla šanci odehrát s jinou pravděpodobností, proto byly málo pravděpodobné scénáře méně zřetelné. Jeden téměř neviditelný John právě páchal na gauči sebevraždu podřezáním žil, ale vypadalo skoro nemožně, aby se tento konkrétní případ realizoval.
Johnové spolu nemluvili - John nikdy neměl potřebu povídat si sám se sebou. Navíc by ostatní nejspíše neodpovídali, protože se každý zabýval svou vlastní možností vývoje a nevnímal ty zbylé. Bez potíží procházeli skrz jiné Johny, vždyť z hlediska nezúčastněného pozorovatele byl v domě jen jediný člověk.
V televizi probíhala automobilová honička jakéhosi zločince s policií. Vše natáčel zpravodajský vrtulník a živě přenášel záběry do studia.
"Prchající muž se jmenuje Jerry Thompson," oznamoval komentátor. "Z informací, které máme z helikoptéry, jede rychlostí sto osmdesáti pěti kilometrů za hodinu, ale bohužel vůbec nevíme, kde se právě nachází."
Tvrzení dosvědčovala i kamera stále měnící snímaný terén, jako by jí vůz neustále unikal. To ovšem bylo v Johnově světě naprosto běžné.
Ta pravděpodobnostní verze Johna, kterou sledujeme, se rozhodla uvařit si ranní kávu. Zvolila tedy na kávovaru capuccino a těšila se na oblíbený nápoj. Když však přístroj dokončil svou činnost a John kávu ochutnal, zjistil, že pije silného turka.
Nerozčilovalo ho to a klidně šálek vypil. Věděl, že to, co si přál, může dostat jen s určitou pravděpodobností. A dnes hrála náhoda proti němu.
Když popíjel nápoj, nejednalo se o souvislý proud tekutiny, nýbrž o oddělené krůpěje. John byl ovšem zvyklý a věděl, že v tomhle světě není jiný způsob uspořádání hmoty možný.
Poté, co se ustrojil do práce, vydal se z bytu ven. Nyní nastával rozhodující okamžik, který určí průběh celého dne. Až otevře dveře, už nebude cesty zpět.
Když tak učinil, na vteřinu ho oslnilo sluneční světlo. Vyšel ze dveří spolu s mnoha jinými verzemi ukazujícími jiné možnosti. A pak se na ně podíval náhodný chodec.
Všechny scénáře ihned zmizely a zbyl jeden jediný John. Ze všech cest, některých více pravděpodobných, některých méně, zůstal jediný, náhodně vybraný. A to vše díky pouhému pohledu náhodného chodce. Celý rozsáhlý systém možností se zhroutil a zanechal jen jednu, nyní už stoprocentně jistou.
John si přivolal taxi a udal místo, kde pracoval. Pak už stačilo jen se pohodlně usadit a vychutnávat si jízdu.
Slunce příjemně hřálo. Na Zemi od něj přilétaly jemné, téměř nepostřehnutelné vlnky. Když se ovšem měly setkat se sklem auta, změnily se na malé zářivé kuličky, které bez potíží prošly pevnou látkou, pouze malé množství bylo zachyceno nebo odraženo. Ale John se nedivil, neboť věděl, že světlo se v jeho světě ani jinak chovat nemůže.
A taktéž věděl, že taxi ho doveze na určené místo jen s určitou pravděpodobností, s níž nemůže nic dělat. Nedalo se předem určit, kde nakonec z vozu vystoupí.
Ale Johnovi to nikterak nevadilo, protože věděl, že jeho svět už je takový.
Jedním ze základních postulátů kvantové fyziky je popis reality pomocí vlnové funkce. Jedná se o složitou matematickou záležitost využívající komplexní čísla, důležité ovšem je, že nevyjde jeden konkrétní výsledek, nýbrž jen informace, s jakou pravděpodobností se částice na tom kterém místě právě vyskytuje. Proto ráno existovalo téměř nekonečno Johnů - každý vyjadřoval jen pravděpodobnost toho kterého scénáře. Důležité je podotknout, že všichni jsou si rovnocenní a všichni existují naráz, zároveň se ale stále jedná o jediného člověka.
Dokud je systém izolován, všechny možnosti se odehrávají najednou a platí každá z nich. Jenže stačí jakékoliv ovlivnění zvenčí - i pouhým pohledem nebo měřením - a systém zkolabuje do jediného řešení. Veškeré ostatní scénáře zaniknou, jako by se nikdy ani neodehrávaly.
Jedná se o takzvaný kolaps vlnové funkce.
Pokud například víme, že v krabici se nachází elektron, zároveň se vyskytuje na mnoha místech současně, na každém s jinou pravděpodobností, a nelze říci, kde přesně právě je. Když však krabici otevřeme, elektron okamžitě zkolabuje do jediné pozice, kterou také uvidíme. Není možné zjistit ostatní scénáře, svým zásahem jsme je zničili.
Co se týká televizního přenosu, popisuje další důležitou zásadu mikrosvěta. Zatímco v našem světě můžeme říci, kde se objekt nachází i jakou rychlostí se pohybuje, v mikrosvětě to možné není. Čím přesněji známe rychlost, s tím menší přesností jsme schopni určit polohu částice a naopak. Buď víme, kde elektron je, nebo jak rychle se pohybuje, ale nikdy ne obojí. Nejedná se přitom o chybu měření nebo nedokonalost měřících přístrojů. Obě veličiny zároveň není možné určit už z principu.
Jedná se o takzvaný Heiselbergův princip neurčitosti.
Když John pije kávu, musí ji přijímat po jednotlivých a nespojitých kapkách. V mikrosvětě je vše dávkováno po dále nedělitelných částech, takzvaných kvantech - po nich mimochodem dostala kvantová fyzika své jméno. Nic menšího než jedno kvantum energie nesené jedním fotonem - částicí světla - prostě nemůže existovat.
Když John jede taxíkem, pozoruje světlo a jeho změny. V normálním prostředí se fotony šíří ve formě vlny, podobně jako například zvuk. Pokud ovšem musí překonat překážku, začnou se chovat jako malé kuličky. Světlo je tedy zároveň vlnou i částicí, energií i hmotou. A toto platí i pro veškeré ostatní částice mikrosvěta.
Jedná se o takzvaný duální charakter částic.
Je nutné zdůraznit, že ve světě kvantové fyziky není nic pevně dané. Vše se děje jen s určitou pravděpodobností a až naším pozorováním, kterým ovlivníme systém, dojde k realizaci jediné možnosti. Do té doby se odehrávají všechny.
John nevěděl, který z možných scénářů se nakonec realizuje a který John jediný zůstane. Také nevěděl, jestli skutečně dostane ten druh kávy, který přístroj vařil. Rovněž nevěděl, jestli ho taxi skutečně doveze tam, kam míří. V žádném případě se nejedná o chybu. Kávovar není rozbitý, taxikář není šílený. Nemají na běh událostí vliv. O všem rozhoduje pouhá náhoda.
Doživotní vězení
Raymond měl prostě smůlu. Ze všech možných scénářů se realizoval právě ten, ve kterém zavraždil svoji manželku. Vzápětí na sebe sice zavolal policii, která ho našla, jak zhrouceně sedí u ženy, z jejíž velké bodné rány v břiše stále vypadávaly červené kuličky - kvanta krve.
Štěstí se na něho neusmálo ani během soudního líčení. Přestože mohl dostat různou trestní sazbu s naprosto stejnou pravděpodobností, v jeho případě se realizovala možnost toho nejhoršího trestu - doživotí bez šance na předčasné propuštění.
A tak se každé ráno probouzel v malé, tísnivé cele a mohl se bavit snad jen sledováním svých dvojníků, i když jen do příchodu strážného, který svým pohledem určil jednu jedinou skutečnost a zavrhl všechny ostatní. Dvojníků ale bylo mnohem méně než v případě Johna, protože v prostoru neútulné kobky se mohlo vyskytnout mnohem méně možností vývoje.
Vězeňský život nedokázal Raymondovi nabídnout nic zajímavého, takže mu nezbývalo nic jiného než celé dny v nudě prosedět nebo nanejvýš pozorovat skrz mříže ostatní vězně. Jednou uviděl cosi velice podivného - už poměrně starý muž se neustále vrhal proti betonové zdi své cely, jako by doufal, že ji může prorazit. Nejednalo se ale o nahodilou aktivitu - Raymond brzy zjistil, že dotyčný věnuje téhle činnosti každý den několik hodin. Pokaždé tak činil s obrovskou snahou a nadějí.
Raymond ani pořádně nevěděl, co si od toho slibuje, ale za týden začal vězně napodobovat. Znovu a znovu se rozbíhal proti bytelné stěně, dokud nebyl celý obolavělý a pokrytý modřinami. Příští den ovšem zase pokračoval v marné naději, že jeho počínání má smysl.
Snažil se stejně jako stařec dávat do svého konání co nejvíce energie a nadšení, ale pokaždé se odrazil od studeného betonu zpět. Vlastně ani nevěděl, co by měl čekat jiného.
Jednou při procházce se přitočil k muži a zeptal se ho, proč pořád běhá proti zdi.
"Legenda praví, že je to jediná možnost, jak odtud uniknout," oznámil dotyčný, ale vzápětí se ukázalo, že sám nic víc neví.
A tak šel čas, den za dnem, týden za týdnem, měsíc za měsícem, rok za rokem. A každý den potkával Raymonda, jak se neúnavně vrhá proti silné betonové zdi. Kdybyste se ho zeptali, proč, odpověděl by podobně jako tenkrát jemu ten stařec. Upínal k tomu nesmyslnému úkonu slepou naději.
Když se další den chýlil ke svému konci, Raymond se opět odrazil od stěny, více potlučený než jindy. Ale přinutil se ještě k poslednímu rozběhu a poslednímu pokusu. O co? To nevěděl.
Když ten den naposledy uváděl své tělo do pohybu, prolétlo mu hlavou, kolikrát už asi za svůj pobyt ve vězení do stěny narazil. Byl přesvědčen, že se jedná nejméně o milióny pokusů. To ho ovšem nikterak nezdeptalo a on opět vložil do běhu a následného nárazu veškerou svou energii.
Co nejrychleji, a tudíž i co největší silou narazil do stěny. Jenže nyní se neodrazil. Cítil, že samotný beton mu dodává další sílu a pomáhá mu prorazit dál. Byl doslova vtahován do zdi, ale nebránil se tomu.
A pak se náhle vynořil na denním světle. Díval se přímo do zapadajícího slunce a po dlouhé době se mohl radovat ze spousty malých kuliček světla, které mu dopadaly na tvář.
Ještě zdaleka nebyl na svobodě, Ještě ho čekal drátěný plot kolem celého komplexu. Ale po tom, co už dokázal, mu překonání plotu připadalo jako hračka.
Za ním se tyčila neporušená betonová zeď.
Raymond využil takzvaného tunelového jevu, situace, která v našem světě nemá obdoby.
Pokud vezmeme míč a budeme jím házet proti zdi, nic se nestane. Míč se nikdy neobjeví na druhé straně - nemá dostatek energie, aby bariéru překonal. Navíc i pokud by se mu to podařilo, zanechal by za sebou znatelné škody.
Pokud proti bariéře vrhneme elektron, také se nic nestane - ani elektron nemá dostatek energie k překonání stěny. Jestliže ovšem vrhneme milióny, ba ještě řádově více elektronů proti stejné bariéře, je pravděpodobné, že malé procento z nich najdeme na druhé straně, přestože ani jeden neměl dostatek energie, aby zábranu překonal.
V mikrosvětě je totiž možné, že elektron si od okolí - od samotné bariéry - vypůjčí energii, která mu schází, a využije ji k překonání překážky. Poté ji samozřejmě musí vrátit. Také platí, že čím více energie si vypůjčí, tím méně času má na vrácení, respektive že silnější bariéra se obtížněji překonává.
Za optimálních podmínek se ale elektron může doslova protunelovat skrz jinak neprostupnou zábranu, aniž by ji jakkoliv poškodil.
Na základě stejného principu dokázal Raymond po letech snažení doslova projít zdí.
Dvojčata
Doktor Harrison procházel chodbou porodnice. Den se chýlil ke konci a on si vychutnával pocit dobře odvedené práce. Zastavil se u okna a nechal si na tvář dopadat malé kuličky - kvanta světelného záření.
Jenže vtom za ním přiběhla sestra a přerušila iluzi pohody a spokojenosti. V její tváři převládal soucit, ale mísil se se zoufalstvím a bezmocí.
"Co se děje?" uzamkl Harrison své pozitivní pocity a okamžitě se začal soustředit na aktuální situaci.
"Ta paní z trojky, ta Tysonová, začala rodit!" stručně popsala problém sestra.
"To snad ne!" vykřikl doktor a společně se sestrou pospíchal na porodní sál.
Zatímco běžel chodbami, zamýšlel se nad svou nynější povinností zajistit bezchybný průběh porodu a zároveň si uvědomoval, že jeho práce přijde vzápětí nazmar. Případ paní Tysonové nebyl zdaleka ojedinělý, to však neubíralo nic z jeho tragiky. Stejně jako pokaždé mu prolétlo hlavou, jak strašně nespravedlivá je celá záležitost a stejně jako tolik jiných věcí je založena jen a pouze na pravděpodobnosti. Tady ale není žádný pozitivní scénář, žádné přijatelné řešení. Všechny možnosti vývoje jsou špatné.
Paní Tysonová měla tu smůlu, že čekala dvojčata.
Porod probíhal přímo ukázkově, kontrakce byly jako z učebnice a zanedlouho už Harrison držel v opatrných dlaních první bezbranné tělíčko novorozence. Zatímco sestra se starala o to, aby se človíček poprvé nadechl a spustil pláč, doktor už se staral o druhé dítě a pomáhal na svět i jemu.
Když oba novorozenci leželi osušení vedle sebe na podušce, měla nastat doba radosti. Vyčerpaná rodička se měla unaveně usmívat, sestra šeptat uklidňující slůvka a doktor zkontrolovat zdraví matky i potomků, prohlásit, že je vše v pořádku, a poblahopřát ženě k dobrému výkonu a spolupráci. Jenže místo toho byli všichni v místnosti zachmuření, doktor ponuře sledoval dvojčata, rodička začala zoufale plakat a sestra se ji neúspěšně pokoušela utěšit, přestože sama měla na krajíčku.
"V těchhle chvílích lituji, že v tomhle světě musím žít," poznamenal Harrison spíše pro sebe a stále nespouštěl oči z dětí. Věděl, že k události dochází do několika minut po narození.
Oba novorozenci měli naprosto rovnocenné šance. Smůlu měl ten nalevo. Najednou začal hlasitě křičet, protože cítil, že se s ním děje něco nepatřičného. A pak se během pár sekund doslova rozplynul.
Harrison pomalu vstal. Pravý novorozenec začal také plakat, neboť vycítil, že se stalo cosi důležitého a děsivého. Na rozdíl od doktora ale nemohl tušit, že jeho bratříček se rozpadl na jednotlivé molekuly a atomy, což v důsledku vypadalo, jako by se náhle vypařil.
"Je mi to líto," stiskl Harrison Tysonové ruku a zdrceně odešel. Už zažil podobných situací za svou praxi nespočet, ale přesto ho vždy zasáhly nezmenšenou silou. Věděl, že na vztahu matky a přeživšího syna bude nadosmrti ležet temný stín, protože novorozenec defacto způsobil smrt svého bratra, i když samozřejmě nevědomky.
Ale Harrison zároveň věděl, že zažije ještě spousty stejných situací, z nichž ho každá zasáhne nezmenšenou silou. Nemohl s tím nic dělat. Jeho svět byl prostě takový.
Každý elektron je mimo jiné definován takzvaným spinem neboli vnitřní hybností částice, která udává, jakým způsobem je částice v prostoru natočená. Jedná se o veličinu, která nemá v makrosvětě obdoby, ale lze ji přirovnat například k pólům magnetu.
Pokud je spin roven jedné, musí se částice otočit o 360 stupňů, tedy o celý kruh, aby se pozorovateli jevila stejně. Pokud je spin roven dvěma, stačí, aby se částice otočila jen o polovinu kruhu, tedy o 180 stupňů. Ale spin může být roven i jedné polovině, což znamená, že částice se musí otočit dvakrát kolem dokola, tedy o 720 stupňů, aby se jevila stejně. Pro to v našem světě nemáme analogii, zde se vše zdá stejné už po otočení o jeden kruh.
Abychom se však dostali k tématu povídky, spin nabývá kladných i záporných hodnot. Zjednodušeně přitom platí, že v jedné oblasti se mohou vyskytovat pouze elektrony s opačným spinem, jeden s kladným, druhý se záporným. Není možné, aby měly obě částice totožný spin.
Z tohoto důvodu se tedy v porodnici nemohli vyskytovat dvojčata - dva objekty vypadající úplně stejně.
Jedná se o takzvaný Pauliho vylučovací princip.
Tento soubor povídek si neklade za cíl nějak umělecky působit na čtenáře, nýbrž osvětlit mu alespoň základní pravidla světa atomů a molekul, světa kvantové fyziky. Samozřejmě se musí místy uchýlit ke zjednodušování, někdy až na hranici možností. Na tomto místě bych rád požádal čtenáře, ať si dílo prostuduje ještě jednou a pokusí se nad jednotlivými aspekty hlouběji zamyslet a pochopit je. Nerad bych zpochybňoval jeho inteligenci, ale obávám se, že na první pokus nejsou mnohé záležitosti snadno vstřebatelné.