PLANCKOVA KONSTANTA – DALŠÍ ČTENÍ
Pokud Vás tato úloha zaujala, můžete se seznámit s dalšími zajímavostmi týkajícími se kvantové teorie. Tato část je nepovinná a je určena jen hloubavějším studentům. Zvolte si téma, které Vás zajímá.
Minulost a současnost kvantové teorie
Kvantová teorie zaznamenala za více než sto let své existence bouřlivý rozvoj. Z počátku s rozpaky přijímaná konstrukce se stala později základem současné úspěšné teorie tří ze čtyř známých interakcí – elektromagnetické, silné a slabé. Kvantový svět ovládl prostřednictvím elektronických součástek naše domácnosti, automobily i mnohá povolání. Kvantové jevy ale ovlivňují i vesmír jako celek. Před půl stoletím by málokterý fyzik sázel na to, že by kvantová teorie mohla mít na vývoj vesmíru nějaký vliv. Dnes víme, že v prvních okamžicích vesmíru dominovaly kvantové jevy a v nynějším období jsou kvantové jevy možná zodpovědné za jeho zrychlenou expanzi. Pojďme se stručně seznámit s nejzávažnějšími okamžiky ve vývoji kvantové teorie.
Počáteční období
Za zrod kvantové mechaniky lze považovat rok 1901, kdy německý fyzik Max Planck publikoval správnou podobu vyzařovacího zákona. Souladu s experimentem dosáhl jedině tak, že zavedl kvantování energie. Tento předpoklad sám Planck považoval jen za matematický trik, nicméně v roce 1905 objasnil Albert Einstein fotoelektrický jev podobným způsobem. Předpokládal, že světlo jsou částice, neboli energetická kvanta, která jsou zodpovědná za uvolnění elektronu z povrchu materiálu. V roce 1913 představil světu dánský fyzik Niels Bohr svůj model atomu. Elektrony se v něm mohou vyskytovat jen na některých drahách daných Bohrovou kvantovací podmínkou. Z dnešního pohledu jde o kvantování orbitálního momentu hybnosti elektronu. Počáteční období náhodných doteků s kvantovým světem končí v roce 1924, kdy francouzský fyzik Louis de Broglie objevuje vztah mezi vlnovou a částicovou povahou objektů mikrosvěta, tzv. vlnově-částicovou dualitu. Prvních čtvrt století kvantové teorie bylo obdobím tápání a hledání mnohdy nejasných souvislostí.
V roce 1925 předložil světu Werner Heisenberg první ucelenou kvantovou mechaniku založenou na maticích a o rok později rakouský fyzik Erwin Schrödinger našel rovnice kvantové mechaniky založené na parciální diferenciální rovnici pro tzv. vlnovou funkci. Po období tápání se objevily hned dvě teorie a obě dávaly pro mechanické úlohy shodné výsledky. Zanedlouho se ukázalo, že obě teorie jsou ekvivalentní a že jen jiným způsobem realizovaly nekomutativnost přírody na malých rozměrech. Heisenberg jako nekomutující objekty použil matice a Schrödinger diferenciální operace. Ve stejné době byl také objeven spin částic (Stern, Gerlach, 1925) a relace neurčitosti (Heisenberg, 1927). Základy kvantové mechaniky byly dobudovány a nová fyzikální disciplína začala své vítězné tažení moderní fyzikou.
Orbitaly atomu vodíku – pravděpodobnosti výskytu elektronu v obalu atomu vodíku
vypočtené
z kvantové mechaniky pro různé kvantové stavy elektronu.
Kvantová elektrodynamika (QED)
Dosavadní rovnice kvantové mechaniky nebyly relativistické. Správnou relativistickou rovnici pro elektron odvodil Paul Dirac v roce 1928. Téhož roku předpověděl na základě své rovnice existenci pozitronu, antičástice k elektronu a o rok později vyslovil předpoklad, že by každá částice měla mít svou antičástici, která bude mít veškeré kvantové náboje opačné. Diracův pozitron byl objeven až roky po předpovědi – v roce 1932. Karl Anderson ho našel v sekundárních sprškách kosmického záření. Diracova rovnice v sobě automaticky jako první rovnice také zahrnovala správný popis spinu elektronu.
V roce 1948 se podařilo vnitřně bezesporně přidat do Diracovy rovnice pro elektron také elektromagnetické pole. Vznikla tak jedna jediná soustava rovnic, která řešila jak pohyb elektronu, tak genezi elektromagnetických polí. Šlo o první kvantovou polní teorii vůbec. U jejího zrodu stáli Američané Richard Feynman a Julian Schwinger a japonský fyzik Sin-Itiro Tomonaga. V jedné jediné konstrukci se jim podařilo spojit speciální relativitu, Diracovu rovnici a rovnici pro elektromagnetické pole. Kvantová (nekomutující) podoba Maxwellových rovnic byla na světě. V klasické fyzice je rovnice pro pohyb částic (Lorentzova rovnice) oddělená od rovnic pro částicí vytvářené pole (Maxwellovy rovnice). V kvantové teorii se podařilo poprvé vytvořit na základě vnitřních symetrií jediný nedílný celek, kvantovou elektrodynamiku (QED). Richard Feynman převedl strohý matematický zápis rovnic na jednoduchou obrázkovou interpretaci, tzv. Feynmanovy diagramy. Tato technika značně urychlila komplikované výpočty. Kvantová elektrodynamika se také po svém vypořádala s vysvětlením pojmu síla. Síla působící mezi nabitými částicemi je zde způsobena výměnou polních částic – fotonů.
Richard Feynman se svými diagramy na americké známce z roku 2005.
Teorie slabé interakce (QFD) a teorie silné interakce (QCD)
Kvantová teorie elektromagnetického pole byla natolik úspěšná, že fyzikové začali hned hledat obdobný popis ostatních interakcí. Teorii slabé interakce se říká kvantová teorie vůně (vůní nazýváme náboj slabé interakce), zkratku má QFD (Quantum Flavour Dynamics). Polní výměnné částice slabé interakce jsou tři: nabité částice W+, W− (zkratka z anglického Weak – slabý) a nenabitá částice Z (z anglického slova Zero – s nulovým nábojem). Počátky teorie slabé interakce sahají do 60. let 20. století. V roce 1964 navrhnul skotský fyzik Peter Higgs mechanizmus, za pomoci kterého získají polní částice správnou hmotnost. Znamená to ovšem zavedení Higgsova pole resp. Higgsovy částice, která dosud nebyla nalezena. V roce 1968 se podařilo sjednotit elektromagnetickou a slabou interakci do jediné elektroslabé interakce. Nejvíce k tomu přispěli američtí teoretici Steven Weinberg a Sheldon Glashow a pákistánský teoretik Abdus Salam. Předpovězené polní částice byly objeveny na přelomu let 1983 a 1984 v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Slabá interakce je krátkého dosahu (10–18 m), typickým příkladem je beta rozpad nebo první reakce protono-protonového fúzního řetězce ve Slunci.
Silná interakce drží pohromadě atomové jádro. Také jde o sílu, která drží pohromadě kvarky uvnitř protonu nebo neutronu. Silná interakce má krátký dosah (10–15 m) a její intenzita roste se vzdáleností, tj. na vzdálenostech kratších než 10–15 m téměř nepůsobí, na vzdálenostech větších je natolik enormní, že z protonu nebo neutronu není možné oddělit kvark tak, aby byl volný. Kvantová teorie silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD, Quantum Chromo Dynamics). Polními částicemi jsou gluony. Nábojem silné interakce je barva. Barevný náboj mají i samotné polní částice. To je nejpodstatnější rozdíl od elektromagnetické interakce, u které fotony nemají náboj interakce (elektrický náboj). První verze teorie silné interakce pocházejí již ze 30. let 20. století. Kvantová chromodynamika, jak ji dnes známe, ale vznikla až na počátku 70. let 20. století. U jejího zrodu stáli američtí teoretici Frank Wilczek, David Politzer a David Gross.
Feynmynovy diagramy některých slabých a silných procesů.
Současnost
Současný stav fyziky je neradostný. Jedna ze čtyř interakcí – gravitační – je popsána obecnou relativitou, která nahrazuje sílu zakřivením času a prostoru. Ostatní tři interakce – elektromagnetická, silná a slabá – jsou popsány kvantovou teorií, která nahrazuje sílu polními částicemi. Interakci mezi dvěma objekty si v kvantové teorii pole můžete představit jako dva trpaslíčky, kteří si pinkají pingpongovou pálkou mezi sebou polní částici. Cílem současných snah je najít jednu jedinou teorii, ve které by zůstal jak zakřivený časoprostor, tak výměnné částice. K zatím nejúspěšnějším pokusům patří strunové teorie, které si představují částice jako různé mody jednorozměrných útvarů (strun) vibrujících v mnohorozměrném světě. Teprve budoucnost ukáže, zda tyto pokusy jsou správné či nikoli.
Teorie všeho by měla využít jak výměnné polní částice, tak zakřivený prostoročas. Kresba Ivan Havlíček.
