Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 51 (vyšlo 28. prosince), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

51/2007

Kvantová toymechanika

Rudolf Mentzl

Když v roce 1905 publikoval Albert Einstein své přelomové práce, neměl mnoho příznivců. Ještě dnes se setkáváme s ojedinělou nedůvěrou, ale jsou to již jen poslední záchvěvy stoupenců „selského rozumu“. Technologie, která konečně dohání objevy vědců třicátých let minulého století, přináší na každodenní menu takovou spoustu užitečných předmětů, jejichž funkce stojí na znalostech kvantové mechaniky, že nenechá nikoho na pochybách o jejím velkém významu. Lidé si podvědomě osvojili filozofii mikrosvětaMikrosvět – svět malých rozměrů neuchopitelný lidskými smysly. V tomto světě platí zákony kvantové teorie, charakteristické jsou diskrétní hladiny některých veličin, dualismus vln a částic a nekomutativnost příslušných teorií. a jeho nedeterminičnost již nikoho neuráží.

Z úrodného lůna matky kvantové mechaniky se zrodily její neméně úspěšné dcery „kvantová elektrodynamikaQED – Quantum Electrodynamics, kvantová elektrodynamika, teorie elektromagnetické interakce. Teorie postavená na Diracově rovnici pro elektron a na kvantové verzi teorie elektromagnetického pole. Intermediální čásicí interakce je foton.“, „kvantová chromodynamikaQCD – Quantum Chromodynamics, kvantová chromodynamika, teorie silné interakce. Kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné interakce – gluonů. Silnou interakcí drží pohromadě kvarky například v neutronech a protonech. Silná interakce je zodpovědná i za soudržnost atomového jádra. K typickým rysům silné interakce patří uvěznění kvarků a jejich asymptotická volnost na malých vzdálenostech.“; a ta nejmladší, „kvantová toymechanika“. O jejích základech pojednává následující článek.

Uvažujme skleněnou kouli položenou na vodorovné desce ve výšce jednoho metru nad zemí. Ve světě řízeném klasickou mechanikou může v tomto stavu setrvat libovolnou dobu, aniž by došlo k pozorovatelné změně. V našem skutečném světě však můžeme správně předpovědět jiný vývoj událostí. Koule se dá v nestřeženém okamžiku do pohybu, z desky spadne a rozbije se.

Obr. 1: Toyparticula.

Proč tomu tak je? Prostor je dynamická struktura vyplněná virtuálními částicemi. Splňují-li přitom relace neurčitosti, mohou být tyto skutečně rozmanité a vykazovat zvláštní chování. Vedle klasických částic, jako jsou třeba protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. a neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron., poletují prostorem virtuální TC částice (z anglického Toy-Cry particles). Jejich silové působení je pro bosonyBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu. negativní – odpuzují se.

Obr. 2: TC pole.

V souladu s předpověďmi klasické kvantové teorie můžeme jejich zvýšenou hustotu výskytu očekávat v blízkosti částic reálných. Koule i deska jsou tedy zahaleny v oblaku virtuálních TC částic. Protože koule nikdy není přesně uprostřed desky (a pokud ano, excentrizuje ji Higgsův bosonHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice zde zajišťují nenulovou hmotnost intermediálních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanismus nazýváme Higgsův mechanismus a je aplikovatelný i na jiné částice.), převládne nakonec odpudivá síla částic na větší části desky a kouli vytlačí směrem od středu. Čím je koule blíže ke kraji, tím jsou tyto síly větší, protože roste poměr mezi počtem TC nábojů na jedné a druhé straně.

Obr. 3: Virtuální TC particula. Excentrizující Higgsův boson je zřetelný vlevo dole.

Jako u všech kvantových jevů, je i zde obtížné realizovat přímý experiment. Virtuální částice jsou nepozorovatelné z principu (můžeme zjistit až jejich netriviální projevy) a koule se při bedlivém pozorování nikdy sama nerozjede, protože nemůže změnit svůj kvantový stav. Z každodenní zkušenosti však víme, že jakmile pustíme kouli ze zřetele, docela jistě ji později nalezneme rozbitou pod stolem.

Jak již bylo zdůvodněno, pravděpodobnost spontánní destrukce předmětu je nepřímo úměrná jeho vzdálenosti od okraje z důvodu nesymetrie rozmístění TC částic a přímo úměrná jejich počtu. Ten však roste i v důsledku jiných interakcí. V domácnosti je například jejich vznik katalyzován dětmi, kočkou či jiným domácím mazlíčkem.

Obr. 4: Zřetelně nesymetrické TC pole – příklad katalyzace mazlíčkem.

Při takových hustotách TC částic se začínají významně uplatňovat jejich stínící schopnosti, a tak, i přes svou virtualitu, interagují s nervovými zakončeními experimentátorů. Nervová zakončení reagují generováním dalších TC částic, čímž vzniká kladná zpětná vazba a dochází k jejich lavinovité tvorbě.

Počet je již takový, že lze jejich výskyt charakterizovat vlnovou rovnicí. Schrödingerova vlna se šíří prostorem, je všudypřítomná a zároveň nepolapitelná. Odráží se od stěn, láme se, vytváří stojaté módy, ale hlavně stále sílí a je pohlcována zúčastněnými.

Obr. 5: Mnohočetný rozlom Schrödingerovy vlny, vlevo dole hraničící až s roztrhem.

Stimulace nervových zakončení je individuální a souvisí s fyzickou kondicí pozorovatele, který se zde (jak již tomu při kvantových pokusech bývá) stává součástí systému. Přes somatickou odlišnost lze vypozorovat jistou závislost na věku. Děti a jiná domácí zvířátka začínají být hyperaktivními, zatímco dospělí jeví známky nervozity.

Obr. 6: Přechod nekvalitní kvantity v kvantitní kvalitu.

Obr. 7: Kolaps vlnové funkce reálného makroobjektu.

Počet nosičů TC náboje na jednotku objemu se stává kritický, rozbitné předměty vykazují nestabilitu a předrážděné synapse způsobují třes rukou, převážně dospělých jedinců. Rovnice kvantové toymechaniky pak předvídají vysokou pravděpodobnost skokového přechodu kvantity v kvalitu. Dojde ke kolapsu vlnové funkce a vzduchem začnou namísto virtuálních TC částic létat zcela reálné pohlavky.

Obr. 8: Stimulace a interakce makroobjektů s mikroobjekty.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu