Vlnově-částicový dualismus
Drž si klobouk, protože dneska se nebudeme bavit o ničem menším, než o tom, jestli existuje osud. „Ale tohle má být článek o vlnově-částicovém dualismu elektronů!“ říkáš si možná. I když se to může zdát přitažené za vlasy, tato témata spolu úzce souvisí. Vysvětlím ti něco o tom, jak se elektrony mohou chovat jako částice i jako vlnění, na čem to závisí a proč je to tak důležité.
Elektron – částice, nebo vlnění?
Elektron je mikročástice. Nikdo ho nikdy neviděl, ale pro zjednodušení se o něm často vyplatilo uvažovat jako o velmi malé kuličce, která má záporný náboj. Má svou hmotnost a může narážet do věcí, jako to dělá třeba pingpongový míček. Problém je v tom, že elektron se často jako malá kulička nechová. Někdy se totiž „rozhodne“, že se bude chovat jako elektromagnetické vlnění, tedy třeba jako rádiové vlny, sluneční světlo nebo wi-fi signál. Zkrátka může prostupovat hmotou, jak se mu zlíbí. Je to, jako kdyby se tvůj mobil z ničeho nic rozhodnul, že nebude pevnou věcí, kterou můžeš vzít do ruky, ale místo toho se z něj stalo záření a proletěl oknem. Zkrátka je to dost zvláštní. Říká se tomu vlnově-částicový dualismus.
Tento dualismus krásně demonstruje tzv. dvouštěrbinový experiment, který poprvé v roce 1801 provedl britský fyzik Thomas Young a později američtí fyzici Clinton Davisson a Lester Germer v roce 1927. Jeho podstatou je toto – představ si, že úzkou štěrbinou prostřeluješ elektrony na tzv. fotosenzitivní vrstvu. Na té je vidět, kam elektron dopadl, podobně jako kdyby dopadaly barevné kuličky na plátno. Stroj, který elektrony vystřeluje, není dokonale přesný a někdy se do štěrbiny trefí a někdy ne. Každopádně po chvilce střílení by místo dopadu mělo vypadat nějak takto.
Takto to také vypadá, když štěrbinou prolétávají elektrony.
Teď zapřemýšlej, co by se stalo, kdyby místo malých kuliček štěrbinou procházela vlna. Fotosenzitivní vrstva zaznamená, jestli do ní vlna narazila kolmo, tedy s největší intenzitou, nebo šikmo, tedy s menší intenzitou. Tmavá místa značí místa dopadu s největší intenzitou, světlejší místo dopad s menší intenzitou. Vypadalo by to asi takto:
Místo s největší intenzitou dopadu bude přímo za štěrbinou. Potud je to docela snadno pochopitelné.
Co by se ale stalo, kdyby elektrony a vlnění procházely dvěma štěrbinami? Dalo by se předpokládat, že kdyby kuličky létaly dvěma štěrbinami, místo dopadu by vypadalo takto:
A kdybychom vysílali dvě vlny dvěma štěrbinami, vypadalo by to takto:
To proto, že když se setkají dvě vlny, které nejsou ve stejné fázi, tak se vyruší. Podobně jako se „vyruší“ dvě vlny na vodě, které jdou proti sobě.
Z experimentu s jednou štěrbinou už dobře víš, že elektron je částice. Ukázalo se ale, že když elektrony prolétávají dvěma štěrbinami, na fotosenzitivní vrstvě se po čase objeví obrazec, jaký vzniká, když dvěma štěrbinami prochází vlnění. Elektron se tedy při průchodu jednou štěrbinou chová jako částice, ale když jsou štěrbiny dvě a elektron se má „rozhodnout“, kudy poletí, chová se jako vlnění. Je to, jako kdyby procházel oběma štěrbinami zároveň.
Zdá se tedy, že elektron může být částice i vlnění zároveň. Aby vědci rozlouskli, kterou štěrbinou elektron vlastně prochází, sledovali let každého jednotlivého elektronu. A zjistili, že v takovémto případě si elektron skutečně vybere jen jednu štěrbinu a chová se čistě jako částice. Na fotosenzitivní vrstvě vznikne tento obrazec.
To znamená, že když elektron nesleduješ, platí obě možnosti zároveň – elektron prochází oběma štěrbinami. Ale když ho sleduješ, elektron si musí vybrat jen jednu možnost a proletět jen jednou štěrbinou.
V klasické fyzice lze chování každého jevu dobře předpovědět. Když z ruky pustíš míček, míček spadne na zem. Platí totiž gravitační zákon. V kvantové fyzice, tedy fyzice mikročástic, ale ne. V té se elektron rozhoduje, co bude dělat, na základě pravděpodobnosti. A dokud se nepodíváš, co dělá, je stejně pravděpodobné, že bude dělat obě věci, které dělat může.
Mikročástice a osud světa
A teď přichází velká filosofická otázka. Pokud by teoreticky nějaký superpočítač dokázal vypočítat, jak se bude chovat každá částice ve vesmíru, mohl by tak dokonale předpovědět budoucnost? Když pominu fakt, že tak výkonný počítač neexistuje a ani nikdy existovat nebude, odpověď by stále zněla ne.
Elektrony tvoří elektronový obal atomu. Elektronový obal atomu ovlivňuje, jak atom bude reagovat s jiným atomem, čímž ovlivňuje chování molekul. Molekuly tvoří veškerou hmotu, ať už jsou to ponožky tvého spolužáka, vosí hnízdo v lese nebo tvůj mozek. To, jak se budou chovat elektrony, tak vlastně ovlivňuje, jak se bude chovat všechna hmota na světě. Jenže chování elektronu není možné předpovědět. To, jak se bude chovat, je čistě záležitost pravděpodobnosti.
Z toho tedy plyne, že všechno, co se na světě děje, je víceméně výsledkem náhody. Protože je osud všech věcí nepředpověditelný, nemá smysl si s ním lámat hlavu.
Nemáš dost? Navštiv tyto stránky:
Slavný dvou štěrbinový experiment Kvantová fyzika hmota neexistuje anglicky