Záhada dvouštěrbinového experimentu
Předložený text se prostřednictvím uměleckého ztvárnění pokouší populárně přiblížit záhadu dvouštěrbinového experimentu. První část textu připomíná některá základní východiska kvantové teorie a slavné filosoficko-fyzikální diskuse mezi Nielsem Bohrem a Albertem Einsteinem z přelomu dvacátých a třicátých let 20. století. Einstein chtěl prokázat neúplnost kvantové teorie při popisu reality skrze tzv. myšlenkové experimenty, které pro tento účel navrhoval. Jedním z nich byl pokus se dvěma štěrbinami, který se začal plně realizovat s elektrony nebo fotony až od šedesátých let 20. století a potvrdil to, co předpokládal Bohr. Druhá část textu se již dostává k popisu samotného experimentu a ke komiksovému ztvárnění slavné otázky o tom, kudy vlastně mikročástice v experimentu letí, zda to lze zjistit, a pokud ano, co to znamená. Závěrečné poznámky poukazují na některé interpretace a důsledky, jež pokus odhalil. Čím více se o tomto experimentu dozvídáme, tím více je podivnější.
Několik úvodních poznámek k diskusím mezi Nielsem Bohrem a Albertem Einsteinem
Slavné filosoficko-fyzikální diskuse o pojetí reality a vědy mezi Nielsem Bohrem (1885–1962) a Albertem Einsteinem (1879–1955) na přelomu dvacátých a třicátých let 20. století, při nichž hovořili mimo jiné o dvouštěrbinovém experimentu, patří právem k jedněm z nejhlubších výkonů lidského ducha. (Tato úvodní část v mnohém kopíruje text pod heslem "Bohr-Einstein diskuse" v nabídce menu těchto stránek: více viz ZDE.)
Einstein, který na počátku 20. století zavedl do rodící se kvantové teorie například paradoxní vlnově-částicové chování světla, byl současně jejím výrazným, ne-li největším kritikem. K tomu došlo především po shrnujícím výkladu kvantové teorie, který učinil Bohr na podzim roku 1927 nejprve na konferenci v italském Lago di Como a posléze na Solvayské konferenci v Bruselu. Einstein nebyl kritikem nebo odpůrcem toho, čemu se od padesátých let díky Werneru Heisenbergovi (1901–1976) začalo říkat kodaňská interpretace, proto, že by kvantové teorii nerozuměl nebo ji neobdivoval, nýbrž kvůli tomu, že ji z tradičně logických a klasických deterministických předpokladů moderní vědy stále považoval za neúplnou fyzikální teorii.
Mimo jiné si také z tzv. kodaňské školy či kodaňských dělal v roce 1928 v dopise tvůrci vlnové mechaniky Erwinu Schrödingerovi (188–1961) legraci, když mu napsal, že Heisenberg-Bohrova konejšivá filosofie – nebo náboženství? – je tak chytře zosnována, že prozatím svým věřícím nabízí příjemné spočinutí na vavřínech, z něhož nejsou s to být vymámeni, dovolme jim tedy odpočívat.
Einstein se svými kolegy Borisem Podolskym (1896–1966) a Nathanem Rozenem (1909–1995) pak představili ucelenější kritiku kvantové teorie v roce 1935 v provokativním článku s názvem „Může být kvantově-mechanická deskripce fyzikální reality považována za kompletní?“, v němž poukázali na to, že jakékoliv seriózní uvažování o nějaké fyzikální teorii musí vzít v úvahu distinkci mezi objektivní realitou, která je nezávislá na jakékoliv teorii, a fyzikálními pojmy, s nimiž teorie operuje. Tyto pojmy jsou zamýšleny tak, že korespondují s objektivní realitou a prostřednictvím těchto pojmů si tuto realitu zobrazujeme. Potom tedy z tradičně mechanistických nebo klasicky kauzálních předpokladů, možností reprezentace a predikcí musí vždycky platit, že v kompletní teorii existuje prvek, který vždy odpovídá prvku reality. Dostačující podmínkou pro realitu určité fyzikální veličiny je možnost její predikce [její hodnoty – pozn. autora] s jistotou, aniž by došlo k narušení systému. V kvantové mechanice v případě dvou fyzikálních veličin popisovaných skrze non-komutativní operátory, poznání jedné vylučuje poznání druhé.
Krátce řečeno, Einstein byl silně znepokojen tím, že by nebylo možné dospět k úplnému fyzikálnímu nebo alespoň matematickému formalismu, který by popisoval jednoznačně na základě přítomnosti i budoucí vývoj fyzikálních systémů či jevů jak v makrosvětě, tak v mikrosvětě. Oproti klasickým fyzikálním veličinám majícím svoji konkrétní přesně naměřenou hodnotu a lze je odvozovat nebo měřit současně, kvantovým veličinám jsou přiřazeny tzv. lineárních operátory, jež poskytují variační možnosti hodnot pozorovatelných veličin. Tento problém se, jak si ukážeme, týká samozřejmě i dvouštěrbinového experimentu. V kvantové mechanice tedy nebylo možné současně přesně změřit polohu a hybnost nějaké mikročástice (nebo polohu a energii; úhel a moment hybnosti; energii a čas průběhu měření) tak, jako tyto veličiny dokáže přesně určovat klasická fyzika u těles v našem každodenním životě.
Heisenberg, strůjce maticové mechaniky, která je oproti vlnové mechanice založena na částicovém (diskontinuitním) pojetí přírody (o vlnovém pojetí nechtěl ani slyšet), píše v úvodu svého stěžejního článku z roku 1927 toto: Ukáže se, že kanonicky sdružené veličiny [poloha a hybnost atd. – pozn. autora] můžeme současně určit pouze s charakteristickou nepřesností. Tato nepřesnost je ale samotným základem pro výskyt statistických vztahů v kvantové mechanice. Tudíž dle jeho, jak se od roku 1929 ustálilo, relací neurčitosti či principu neurčitosti platí, že čím přesněji měříme polohu částice, o to menší přesnost měření získáme u její hybnosti (nebo rychlosti) a naopak. Zatímco je pro nás ve stejný okamžik přesné naměření rychlosti a polohy jedoucího auta samozřejmé, v atomárním dění je to nemožné; pro přesné měření hybnosti částice musíme použít jiné experimentální uspořádání než pro přesné měření její polohy. Už Wolfgang Pauli (1900–1958), známý svým sarkastickým humorem a formulací vylučovacího principu, inspiroval v říjnu 1926 v dopise Heisenberga barvitým vylíčením paradoxní situace, s níž se střetáváme v kvantových experimentech: Člověk může vidět svět s p-okem [okem hybnosti – pozn. autora] a může jej vidět s q-okem [okem polohy – pozn. autora], avšak pokud bude chtít otevřít obě oči současně, potom bude zmatený.
Relace neurčitosti se týkají také jakýchkoliv faktů, tvrzení, situací a našeho poznání na straně jedné v možnostech toho, co získáváme a na straně druhé v možnostech toho, co ztrácíme. Ostatně už sám Heisenberg na konci svého přelomového článku filosoficky spekuloval o tom, že vše, co popsal o limitech poznání v kvantové teorii, nás rovněž konfrontuje s ostře formulovaným zákonem kauzality: »Když známe přesně přítomnost, můžeme kalkulovat budoucnost«. Podle Heisenberga samotný závěr není chybný, ale je mylný ve stanoveném předpokladu, neboť z principu nejsme schopni do všech určitelných detailů poznat přítomnost. Proto je, jak píše, už samo naše vnímání pouze selekcí z mnoha možností a limitací budoucích možností. Podle fyzika a historika vědy Francise D. Peata (*1938) je neurčitost cena, již platíme za to, že jsme se stali účastníky vesmíru. Přesto ještě v roce 1958 Heisenberg konstatuje, že všichni odpůrci kvantové teorie jsou však v jednom bodě zajedno. Podle jejich názoru by bylo žádoucí vrátit se k představě reality, jak ji známe z klasické fyziky, nebo, řečeno obecněji, k ontologii materialismu, tedy k představě objektivního, reálného světa, jehož nejmenší částice existují stejně objektivně jako kameny a stromy, lhostejno, zda je pozorujeme či nikoli.
Rozhodně to, co se děje v atomárním dění již není nadále možné popisovat čistě na základě klasicky mechanických vztahů a domnívat se, že by naše představy a teorie odpovídaly nějakým vlastnostem (skrytým parametrům) na nás nezávislé reality. Heisenberg proto tvrdí, že když se sestoupí až k atomům, takový objektivní svět v prostoru a čase neexistuje. Jinde zase říká, že zákony přírody, které formulujeme matematicky v kvantové teorii, se nezabývají částicemi o sobě, ale naším věděním o elementárních částicích. Rovněž podle Bohra výsledky získané v jednom experimentu, nelze, jak tomu bylo dosud ve fyzice, jednoduše kauzálně propojovat s výsledky druhého experimentu, neboť jde o výlučné experimenty a celkově neslučitelné fenomény, k jejichž komplementárnímu propojení (podobně jako tomu je s částicovým a vlnovým obrazem přírody) nedochází v přírodě, nýbrž v naší mysli. Například v přednášce v Como uvádí, že pravě povaha kvantové teorie nás nutí zvažovat prostoro-časovou souřadnici a požadavek kauzality [zde poznáni hybnosti či energie – pozn. autora], spojení příznačné pro klasické teorie, za komplementární, avšak vzájemně se vylučující rysy deskripce, symbolizující idealizaci observace a definice.
Pro popis atomárního dění bylo nutné z výše uvedených i dalších důvodů vytvořit novou kvantovou logiku, matematiku a zavést statistické pravděpodobnosti pro velké soubory částic, poněvadž je nemožné přesně zjistit, co vše se v mikrosvětě (natož s jednou jedinou částicí) děje. Proto kromě jiného podle Heisenberga matematické symboly teoretické fyziky zobrazují jenom možné, nikoliv faktické. Podobně se vyjadřuje další významná autorita fyziky 20. století Richard Feynman (1918–1988): Elektrické impulsy nul a jedniček nemají nic společného s tím, co se děje v přírodě. Naproti tomu Einstein po uvedení kodaňské interpretace až do konce svého života poukazoval na to, že princip neurčitosti, statistické pravděpodobnosti (třebaže pozoruhodné) a filosofické komplementární uvažování (doplňování vylučujících se idejí, experimentálních uspořádání, modelů atd.) nemohou být posledním slovem, neboť neumožňují vidět a definovat přírodní dění či jakékoliv věci komplexně a ani v jejich individualitě tak, jako tomu je například v klasické fyzice. Závěry kvantové teorie podle něj jaksi utíkají před celkovým pochopením božích záměrů a přírody takové, jaká opravdu jest.
To, co se dělo v tehdejší fyzice, roztrpčovalo Einsteina čím dál víc. Jemu sice nevadily tolik statistické pravděpodobnosti – s nimiž samozřejmě také hojně pracoval – u komplikovaných mechanických systémů, jež opravdu nelze znát do podrobností, ale, jak tvrdí Heisenberg, nechtěl připustit, že by zásadně nemohlo být možné poznat všechny určující části nutné pro naprostou determinaci procesů. O tomto svědčí již výrok z roku 1921, který Einstein pronesl na své první návštěvě v Princetonu: Pán [příměr k Bohu – pozn. autora] je sice rafinovaný, avšak nikoli zlomyslný. Rok před Bohrovým shrnujícím výkladem kvantové teorie napsal v dopise Maxi Bornovi (1882–1970), který tehdy přišel s pravděpodobnostní interpretací vlnové mechaniky (Schrödinger lpěl na reálném či hmotném vlnění a navíc nechtěl nic slyšet o částicovém pojetí), že kvantová teorie je jistě velkolepá, ale vnitřní hlas mi říká, že to ještě není ta pravá věc. Teorie sice říká hodně, nicméně nás nepřibližuje blíže k tajemství the Old One (der Alte). A k tomu ihned dodal: Jsem v každém případě přesvědčen, že On v kostky nehraje.
Tento proslulý výrok v různých obměnách slýchávali vědci během diskusí hlavně na Solvayské konferenci a to nikoli v hlavním sále, nýbrž především o přestávkách, na chodbách nebo u jídla v hotelu. Právě v zákulisí probíhal velkolepý zápas o nové pojetí vědy a nový vztah k přírodě či porozumění realitě. Každé ráno, jak vzpomíná Bohrův a Einsteinův společný přítel Paul Ehrenfest (1880–1933), byl prý Einstein čilý jako čertík z krabičky a začal už u snídaně tím, že Bohrovi předkládal různé a překrásně rafinované myšlenkové experimenty (Gedanken experiment), aby mu dokázal, že některé závěry kvantové teorie nejsou správné. Než oba a jejich posluchači (kodaňští a jejich odpůrci) došli ke konferenčnímu sálu (kde Einstein jen v tichosti seděl), Bohr většinou buď nedostatečnost Einsteinových argumentů anebo myšlenkových experimentů nejprve částečně objasnil a pak po konferenci u večeře už vše detailně dovysvětlil, aby ukázal, že Einstein zase nemá pravdu a tak to bylo každý den a každý den neústupný Einstein tvrdil, že přeci Bůh nemůže hrát v kostky. Ehrenfest vzpomíná v jednom dopise, že Bohr převýšil úplně každého, nejprve ale nebyl vůbec pochopen [...], potom krůček po krůčku všechny porazil.
Podle Heisenberga na Einsteinovy pochyby o závěrech kvantové teorie Bohr vždy reagoval slovy: Ale není přece naším úkolem předepisovat Bohu, jak má řídit svět. Stejně tak vzpomíná Bohr, prý náročné filosoficko-fyzikální diskuse s geniálním Einsteinem nepostrádaly i humornou stránku: Einstein se nás uštěpačně zeptal, zda opravdu věříme, že by se boží pravomoci uchýlily k hraní kostek a Bohr mu na to odpovídal poukazem na řecké myslitele, kteří již tehdy vyzývali k velké opatrnosti v připisování nějakých vlastností boží prozřetelnosti, jež jsou založeny na předporozuměních a představách z našeho každodenního života.
Bohr vždy zdůrazňoval, že si musíme uvědomit, že neexistuje ani nějaký kvantový svět. Existuje pouze abstraktní kvantově fyzikální deskripce. Je nesprávné se domnívat, že úkolem fyziky je zjistit, jaká příroda jest. Fyzika se zabývá tím, co dokážeme říci o přírodě. Zrovna tak v biologii nejde o to zjistit, co jsou živé organismy, nýbrž o porozumění pozice živých organismů v našem obraze světa. My totiž závisíme na našich slovech, jsme doslova zachyceni v jazyce a v dalších vědomých a nevědomých kontextech života, jehož jsme účastni podobně jako jiné živé bytosti, jež zkoumáme. Bohr proto po celý svůj život připomínal, že nová situace ve fyzice nám tak působivě připomněla onu starou pravdu, že jsme jak diváci, tak herci ve velkém dramatu existence. Z tohoto důvodu hovořit o nějaké nezávislé realitě, která by předcházela jazyku, a byla nezávisle na nás a současně námi uchopitelná tak jak jest sama o sobě, je nemožné. Bohr ještě upozorňoval na to, že i slovo „realita“ je slovo, slovo, které se musíme učit správně používat. Otázka objektivity se potom podle něj netýká něčeho mimo nás, ale možností sdělitelnosti a komunikace, jež probíhá jak uvnitř jednotlivých disciplín, tak také napříč nimi.
Tyto závěry, které se rozcházejí s novověkými nároky přírodních věd (a každodenního pohledu na věci a svět), začaly nabývat na významnosti a průkaznosti postupně od počátku 20. století mimo jiné na základě toho, na co převratného přišel v roce 1900 Max Planck (1858–1947). Při výzkumech záření u různě zahřátého tělesa (záření černého tělesa) dospěl oproti dosavadním fyzikálním předpokladům k tomu, že vyzařování (i pohlcování) zářivé energie neprobíhá vždy rovnoměrně a spojitě (jako vlny) na všech frekvencích, a že tato energie nemůže být plynule nekonečně velká anebo nekonečně malá, ale že se energie záření také chová nespojitě, je kouskována, jak popisoval Planck, do dáveček energie, do určitých energetických množstvíček, neboli světelných kvant. Tyto částice v roce 1926 pojmenoval Gilbert N. Lewis (1875–1946) fotony. Energie těchto částeček je úměrná frekvenci záření a tato úměrnost je určena fyzikální veličinou zvanou Planckova konstanta, která má rozměr tzv. akce. Planck k tomu při udělení Nobelovy ceny uvedl, že formulace této univerzální konstanty radiačního zákona nebyla tak snadná. Protože reprezentovala produkt či součin energie a času […], popsal jsem to jako elementární kvantum akce. Jinak řečeno, výměna energie mezi zářením a nějakým tělesem probíhá prostřednictvím nespojitých akcí či diskrétních kroků a univerzální konstanta je právě mírou rozsáhlosti nebo velikosti každé takovéto akce či účinku.
Navíc, jako tradičně založený fyzik, měl Planck veliké pochyby, co to vlastně všechno znamená: Buď kvantum akce byla fiktivní kvantita, potom celá dedukce o radiačním zákoně byla v podstatě iluzorní a nereprezentovala nic než nějakou prázdnou bezvýznamnou rovnicovou hrátkou, nebo byla derivace radiačního zákona založena na nějaké spolehlivé fyzikální představě. V tomto případě by kvantum akce muselo hrát fundamentální roli ve fyzice, bylo zde něco veskrze nového, dosud nikdy neslýchaného, co, zdá se, volalo po základní revizi veškerého našeho fyzikálního myšlení, které bylo vystavěno od doby ustavení infinitezimálního počtu Leibnizem a Newtonem, na základě přijeti kontinuity veškerých kauzativních spojitosti.
Pro přechod mezi zákonitostmi kvantovými v mikrosvětě a klasickými v makrosvětě potom platí, že čím více přecházíme od výzkumu atomárního dění k molekulám nebo větším a větším objektům až po každodenně vnímatelné věci, tím méně zásadní roli hraje Planckova konstanta či zákony kvantové mechaniky a tím více nabývají na váze zákony klasické fyziky a naopak. Bohr pro tento přechod zavedl během první světové války termín princip či argument korespondence, jenž vyjadřuje nárok kvantové teorie být racionální generalizací klasické teorie.
V roce 1935 Bohr také razantně reagoval na uvedené závěry z článku Einsteina, Podolskeho a Rozena. Zdůraznil, že problémy v předpokladech fyziky a paradoxy, které se začaly od počátku 20. století odhalovat ve fyzice atomárního dění, fakticky pouze odhalují esenciální neadekvátnost navyklého pohledu přírodní filosofie ve vztahu k racionálnímu vysvětlení fyzikálních fenoménů takového typu, jimiž se zabýváme v kvantové mechanice. Limitující interakce, mezi objektem a měřicími činiteli, podmíněná nejzazší existencí kvanta akce, ve skutečnosti způsobuje […] nutnost definitivního zřeknutí se klasického ideálu kauzality a radikální revizi našeho postoje vůči problému fyzikální reality. Proto bylo nutné radikálně přehodnotit zakořeněný novověký ideál přírodních věd i našeho každodenního života o striktním subjekt-objektovém rozdělení, čili o tzv. nezávislosti předmětů, které zkoumáme, na něž se díváme nebo na ně myslíme.
Zatímco, jak píše Prigogin a Stengersová, bylo cílem newtonské vědy […] ukázat přírodu, která byla obecná, deterministická a objektivní potud, že je nezávislá na pozorovateli, a úplná tak, že popis nezávisí na čase, kvantová teorie nám podle Bohra ukázala, že mezi zkoumaným nebo vnímaným objektem na straně jedné, a jakoukoli aktivitou zkoumání, pozorování, myšlení atd. na straně druhé nelze vést striktní dělicí čáru a přesně stanovit, co patří na stranu pozorovatele včetně měřicích přístrojů a co na stranu atomárního dění či přírody. Jde tudíž o interaktivní systémy a řez, který provedeme mezi tím zkoumaným a naším zkoumáním zkoumaného, nepochází odněkud z přírody samé, nýbrž je námi stanovený.
Bohr podtrhl, že to je právě Planckovo objevení kvanta akce, jež nám odhaluje nejen vlastní limitaci klasické fyziky, ale díky vržení nového světla na staré filosofické problémy ohledně objektivní existence fenoménů nezávisle na našich observacích, nás rovněž konfrontuje se situací, která je dosud v přírodních vědách neznámá. […] Každé pozorování způsobuje interferenci s průběhem fenoménů, což nabývá takové povahy, že nás to zbavuje opodstatnění, které leží v základu kauzálního způsobu deskripce. Podle Bohra také nové předpoklady, s nimiž přišli zakladatelé kvantové teorie, ukázaly, že bylo kromě jiného nutné se obrátit pro nové porozumění až k takovému druhu epistemologických problémů, s nimiž byli už konfrontováni myslitelé jako Buddha nebo Lao Tse, když se pokoušeli harmonizovat naši pozici jakožto diváků a herců ve velkém dramatu existence.
Heisenberg v roce 1958 píše, že změna myšlení, již přivodila kvantová teorie byla – a stále je – natolik revoluční, že když uvažujeme o velkých těžkostech, které při akceptování a uznání kodaňského výkladu kvantové teorie měli i tak významní přírodovědci jako Einstein, vidíme, že se dají kořeny těchto těžkostí sledovat až ke karteziánskému rozštěpení [na subjekt a objekt – pozn. autora]. Během tří století, která následovala po Descartovi, proniklo toto rozštěpení do lidského myšlení velmi hluboko a bude ještě dlouho trvat, než je zatlačí skutečně nové pojetí skutečnosti. Tak mocně na nás působí staleté a z generace na generaci předávané porozumění člověku a jeho vztahu k zakoušené přírodě. Ještě den před svým skonem17. listopadu 1962 popisoval Bohr tyto problémy v posledním nahrávaném rozhovoru. Trápilo ho, že Einstein a Planck nedokázali pochopit nejen, že si nevystačíme s novověkými předpoklady poznání a ideály vědy, ale rovněž to, že nemůžeme vystoupit z našeho života nebo jazyka a nějak nahlédnout samy věci nebo částice mimo nás v prostoru a čase a tudíž také současně přesně určit například hybnost a polohu. Planck argumentoval tím, že něco jako božské oko by prý určitě dokázalo toto nahlédnout a poznat. Bohr se mu, jak vzpomíná, pokoušel vysvětlit, že to není otázka toho, co nějaké oko může poznat, nýbrž otázka toho, co míníte poznáním. Představa božího oka je pro Bohra jen příkladem ideje nejzazšího subjektu, již nelze pojmout či myslet, takové ideji můžeme pouze věřit.
Bohrova epistemologická pozice propletenosti pólů diváka a současně herce je místy velmi podobná fenomenologické hermeneutice filosofa Martina Heideggera (1889–1976). Nejen ve vědě a procesech observace či měření měřeného, ale i v každodenním životě v prožívání prožívaného, vždy již něco zakoušíme jako něco (něco jako něco) bez ohledu na to, zda tak činit chceme anebo nechceme, zda se mýlíme anebo nemýlíme, bez ohledu na to, zda to prožívá pračlověk anebo dnešní člověk. Například ihned prožíváme šedivou pískovcovou skálu obklopenou smrky a na nich slyšíme zpívajícího drozda. Nesetkáváme se zde nejprve s nějakými skrytými vlastnostmi nebo počitky tvarů, barev, zvuků, s chemickými prvky, vlnovými délkami, kmitočty nebo s drozdem zpěvným evropským z čeledi drozdovitých, a teprve potom bychom k tomuto podivnému souboru nezávislé reality přistupovali. My ihned slyšíme zpívajícího ptáka, nikoliv čistý zvuk, vidíme zelený strom, nikoli vlnovou délku 550 nanometrů – může se nám toto prožívání dokonce zdát, nebo se můžeme plést. Ať je to jakkoli, vnímáme ihned něco jako něco: hrníček jako hrníček, hrníček jako těžítko, vázičku atd. Stejně tak jako slovo realita nebo hmota, je i slovo počitek, vlnová délka, kmitočet, druh drozda atd. něco, co je založeno na teoretických předpokladech a konstrukcích, které jsme si navrhli právě jako apriorně prožívající bytosti k usnadnění života a orientaci ve světě, jemuž také vždy již ihned nějak rozumíme (třebaže ani nechceme), aniž bychom vyřkli slovo z každodenního života anebo z vědecké praxe.
Proto Bohr po celý život poukazoval na to, že původní tok cítění či prožívání stojí ve výlučné pozici ke zpředmětňující či objektivizující myšlenkové činnosti. Reflexe prožívané hudby už není prožívaná hudba a reflexe aktu vidění stromu už není vidění stromu. Například ve svém posledním a nedokončeném eseji k biologické problematice z roku 1962 Světlo a život znovu Bohr opakuje své dlouhodobé tvrzení o tom, že slova jako »myšlenka« a »cítění« odkazují ke vzájemně výlučným zkušenostem, tudíž byla už od vzniku lidského jazyka užívána typicky komplementárním způsobem.
Nejen Heisenberg častokráte o Bohrovi prohlásil, že by kvantová teorie nevznikla bez filosofa a vědce v jedné osobě, ale také další fyzici a vědci z jiných oborů (včetně Maxe Delbrücka nebo Jamese Watsona) žasli nad Bohrovým myšlením a neuvěřitelným způsobem řešení problémů. Například Einstein vzpomíná na nezajištěný a protikladný základ, s nímž Bohr pracoval už v roce 1913 při navržení nového modelu atomu, a uvedl, že veškeré moje pokusy přizpůsobit základy teoretické fyziky tomuto novému typu poznání naprosto selhaly, bylo to něco neuchopitelného, dosud nezačlenitelného do tradice klasického způsobu uvažování a to se mi jevilo jako zázrak a jako zázrak se mi to jeví stejně tak i dnes. Toto je nejvyšší forma muzikality ve sféře myšlení. Schrödinger zase v dopise svému kolegovi popisuje svoji návštěvu v Kodani v roce 1926: Navzdory všemu, co jsem už slyšel, z čistě lidského hlediska byl dojem z Bohrovy osobnosti zcela neočekávaný. Sotva bude kdy existovat člověk, který by dosáhl takového nesmírného vnějšího a vnitřního úspěchu, člověk, jenž by byl v oblasti své práce celým světem uctíván téměř jako polobůh, a který by přesto zůstal nikoli snad přímo skromný a prost sebevědomí, ale řekněme ostýchavý a nesmělý jako student teologie. Vynikající kvantový matematik a introvert Paul A. M. Dirac (1902–1984) dokonce prohlásil, že byl pro něj Bohr nejen Newtonem atomu, ale rovněž nejhlubším myslitelem, s kterým se kdy setkal a otec vodíkové bomby Edward Teller (1908–2003) ve vzpomínkovém rozhovoru uvedl, že Bohr je pro něj ještě pronikavější myslitel než byl sám geniální Einstein.
S fyzikem Jørgenem Kalckarem (1935–2012) můžeme tuto Bohrovu glorifikaci snad nejvýstižněji shrnout tak, že nebudeme přehánět, když vystihneme Bohra v jeho naturelu jako rozeného filosofa, který nalezl ve fyzice překrásně mocný nástroj k proniknutí do základů lidského poznání a popisu světa.
Dvouštěrbinový experiment
Navrhované fyzikální pokusy, jež měly ze strany geniálního Einsteina vyvrátit například dosavadní platnost Heisenbergova principu neurčitosti, byly v tehdejší době vedeny zejména jako experimenty myšlenkové, neboť je bylo možné prakticky realizovat buď jen s velmi omezenými možnostmi a chabými výsledky, anebo vůbec. Z uvedeného důvodu teprve až po několika desetiletích technicky vysoce náročné a provedené experimenty s elektrony, fotony, neutrony, atomy a velkými molekulami nakonec potvrdily to, co předpokládal Bohr a kvantoví fyzici. Nicméně Bohr od počátku zdůrazňoval, například právě ve zveřejněných památných diskusích mezi ním a Einsteinem, že to byl především on, kdo Bohra neustále inspiroval a na kom si mohl testovat závěry kvantové teorie a její důsledky na náš způsob myšlení a nové chápání reality.
Jedním z navrhovaných pokusů byl už tehdy primitivně proveditelný štěrbinový anebo dvouštěrbinový experiment, avšak teprve až v roce 1961, rok před Bohrovou a šest let po Einsteinově smrti, bylo možné tento pokus uskutečnit s proudem elektronů vysílaným ze zdroje proti stínítku se dvěma štěrbinami. Ke zdokonalení pokusu, kdy bylo možné i postupné vystřelování elektronů, došlo až v roce 1984. Štěrbinový experiment je dodnes s různými částicemi, v různých variantách a kvůli svým podivnostem, hojně zkoumaný. Umíte si, jak se ptají například naši fyzici Pavel Cejnar a Miloslav Dušek, třeba představit, že jeden foton může současně procházet různými dráhami, ale přitom se při každém měření dá nachytat jen na jedné z nich? Je možné, že by se foton, elektron nebo neutron dokázaly rozpůlit nebo rozpliznout tak, aby se mohly nacházet na více místech najednou, být tam i tady, a zároveň zůstat stále touž částicí? Ať je to jakkoli prazvláštní, praktické výsledky kvantové teorie nás provázejí na každém kroku, například v podobě elektroniky, laserů, nových léčebných přístrojů a metod atd.
Dvouštěrbinový pokus se datuje do 17. století a v podobě tzv. temné komory (camera obscura) až do 11. století. Začátkem 19. století na základě tohoto experimentu Thomas Young (1773–1829) a Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) ukázali, že světlo či záření má, jak předpokládal Christiaan Huygens (1629–1695), vlnový charakter a nikoli částicový (korpuskulární), jak se zase domníval Isaac Newton (1642–1726). Ovšem v roce 1900 došlo zase díky Planckovi k již zmíněnému příspěvku, který odhalil kvantování či porcování záření.
Na tuto kvantovou hypotézu navázal v letech 1905–1909 Einstein jednak při vysvětlení tzv. fotoefektu (fotoelektrického jevu), při němž dochází k uvolňování či vyzařování elektronů z látky při pohlcování určitého druhu záření. Navázal na něj také v roce 1909, když ve spekulativním závěru jednoho svého článku přišel se vskutku nevšední a z klasických předpokladů iracionální představou tzv. duality světla, která praví, že nejen elektromagnetické záření ve styku s nějakým tělesem, ale rovněž světlo šířící se volně prostorem nabývá jak vlnové, tak částicové podoby, a dodal, že by tyto představy neměly být zvažovány jako vzájemně nekompatibilní či neslučitelné. Jak se později ukázalo, byl to Bohr, který ukázal, že jsou a zůstanou neslučitelné, neboť jsou vzájemně neodvoditelné, a proto jen komplementární. Z pojmu vlna (či vlnového obrazu přírody) neodvodíme pojem částice (či korpuskulární obraz přírody) a naopak. Tato dualita, odporující dosavadnímu pojetí logiky a současně zásadní například pro porozumění záhad dvouštěrbinového experimentu, byla tehdy pro Einsteina pouze heuristickou pomůckou, ovšem pro kvantovou teorii se postupně stala komplementárním předpokladem, s nímž se muselo už nadále počítat.
S další neuvěřitelnou představou přišel už během první světové války Louis de Broglie (1892–1987), když si položil zajímavou otázku, proč by se také hmota, resp. elektrony nemohly chovat vlnově. Po 1. světové válce ve své disertaci zformuloval představu, že duální chování platí i pro hmotu, což při obhajobě práce v roce 1924 působilo velmi kuriózně. Totiž od roku 1897 byla díky Josephu J. Thomsonovi (1856–1940) definována elektricky nabitá částice (jeho slovy primordiální atom elektřiny, negativně nabitá korpuskule hmoty, pojem elektron začal používat později), jako elementární nedělitelná částice, u níž měříme jen polohu a hybnost, nikoli vlnovou délku a frekvenci jako u elektromagnetického záření (v roce 1891 George J. Stoney /1826–1911/ použil pojem elektron, výslovně pak ve svém článku v roce 1894). Nicméně už v roce 1927 jeho syn George P. Thompson (1892–1975) ve Skotsku, Lester Germer (1896–1971) a Clinton Davidson (1881–1958) v USA de Broglieho vztah experimentálně potvrdili.
Ukázalo se, že se elektrony chovají nejen jako částice, ale i jako vlny. Pikantní na tom všem je, že Thomson senior dostal Nobelovu cenu za to, že elektron je kompaktní nedělitelná částice, a Thomson junior za to, že nedělitelný elektron rovněž nabývá vlnových vlastností, jaksi se dokáže „rozmáznout“ do všech stran a tudíž, jak se také později ukázalo, nějak projít ve štěrbinovém experimentu klidně i několika štěrbinami najednou. Na tyto výsledky reagoval Schrödinger jízlivě tím, že, kdyby se prý takové podivné důkazy ohodnocené Nobelovou cenou realizovaly před lety, oba pánové by skončili v psychiatrické nemocnici na pozorování jejich duševního stavu.
Bohr ve svém proslaveném textu Diskuse s Einsteinem o epistemologických problémech v atomové fyzice používá pro demonstraci pokusu de facto stejně namalovaný obrázek jako je tento.
K základnímu dvouštěrbinovému uspořádání náleží speciálně upravený zdroj, z něhož mohou například hodinu vylétávat buď střely do nějaké zbraně, emitované elektrony, fotony anebo se z něho mohou šířit opravdové vodní vlny.
V určité vzdálenosti od zdroje bude nějaká nepropustná a neprůstřelná zídka či stínítko. V něm budou vytvořeny v jisté vzdálenosti od sebe a ještě rovnoběžně dvě stejně velké protáhlé štěrbiny, kterými to, co létá nebo se šíří od zdroje, může projít či prolétnout za onu stěnu. Tyto štěrbiny lze pochopitelně uvažovat tak, že jsou vytvořeny vertikálně, kupříkladu pro šíření vodních vln, horizontálně anebo kruhově. Nakonec opět o kus dál máme poslední stěnu, na níž je umístěno nějaké čidlo neboli odborně řečeno detektor (Bohr píše o fotografické desce), který nám ukáže či zaznamená dopady střel, elektronů, fotonů nebo vodních vln.
Všimněme si, že na prvním obrázku dvouštěrbinového experimentu je vše podrobně namalované od šroubků po výsledný tzv. interferenční obrazec dopadu mikročástic na detektoru vpravo (střídání vodorovných světlých a tmavých pruhů), avšak elektrony, fotony nebo dráhy elektronů a fotonů tam nevidíme. Bohr tím podtrhoval skutečnost, že opravdu můžeme pozorovat pouze makroskopické stopy či jevy, nikoli to, co se děje mezi zdrojem a detektorem potažmo řečeno v mikrosvětě.
Nejmodernější technologicky velice náročné a rozmanitě připravované štěrbinové pokusy jsou dnes jednak nesrovnatelně sofistikovanější než v době vzniku kvantové teorie a jednak umožňují neuvěřitelné technické manipulace, které pomohly odhalit nové zajímavé problémy a rozvinout další možnosti, jež se týkají například teorie silných nebo slabých interakcí, vzniku částicové fyziky či kvantové elektrodynamiky (teorie hmotného elektromagnetického pole).
Na dvouštěrbinový experiment si řada z nás může také pamatovat z výuky na střední nebo vysoké škole. To však ještě zdaleka neznamená, že jsme byli seznámeni s jeho záhadami, poněvadž, jak zdůrazňuje John Gribbin (*1946), čím více toho totiž o experimentu se dvěma otvory víte, tím záhadněji se jeví. Vzhledem k tomu, že se řadě studentů to nejpodivuhodnější nemuselo ukázat, kvantová fyzika je tím pádem ani nemusí šokovat a jak vtipně s nadsázkou dokládá tradovaný Bohrův citát, koho kvantová teorie nešokuje, ten ji nepochopil (autora těchto řádků sice může kvantová teorie šokovat, ale bez náležité znalosti matematiky mu ani nejzřejmější šok nepomůže). Nejen tedy v každodenním životě nebo ve filosofické tradici, nýbrž i ve fyzice a konkrétně u dvouštěrbinového experimentu může jít častokrát o vyvstání nesamozřejmého prostřednictvím zproblematizování samozřejmosti samozřejmého.
Dvouštěrbinové hrátky tak stále nastolují fyzikálně-filosofické otázky, jež nejsme s to od dob Bohrových a Einsteinových plně vysvětlit. I další z řady geniálních fyziků Feynman, který kromě jiného přispěl významně k různým interpretacím dvouštěrbinového experimentu, se domníval, že tento pokus je výchozím impulsem pro kvantové uvažování jako takové. Z uvedeného důvodu byl tak zásadní i během diskusí mezi Bohrem a Einsteinem. Feynman poukazuje na to, že tento experiment obsahuje všechna tajemství kvantové mechaniky a poukazuje na všechny paradoxy, tajemství a zvláštnosti přírody. Jakákoli jiná situace v kvantové mechanice může být vždy vysvětlena poukázáním na tento experiment včetně principu korespondence, neurčitosti, pravděpodobnosti a rámce komplementarity. Feynman před svým výkladem tohoto experimentu ovšem poukazuje na úskalí, která nám pokus klade: Popíši vám známý pokus se dvěma otvory. Je v něm obsaženo obecné tajemství. Ničemu se nevyhnu: odhaluji přírodu v její nejelegantnější a nejsložitější podobě […] Použiji směs analogií a kontrastů. Pokud bych zkoušel použít jen analogie, neuspěl bych, musím přidat ještě kontrasty s tím, co dobře znáte, tj. z každodenního života.
V podobné situaci se nacházel i Sókratés v 5. st. př. n. l., když ho posluchači v Platónově knize Ústava vyzývali, aby jim vyložil, co se skrývá pod pojmem nejvyšší idea Dobra. Sókratés sice souhlasil, ovšem ihned upozornil na to, že k nahlédnutí ideje Dobra se nelze dostat nějakou přímo hmatatelnou a viditelnou cestou, nýbrž nepřímým způsobem, proto o Dobru hovořil prostřednictvím podobenství a toho, co jsme schopni si nějak představit, třebaže to představované není stejné jako idea Dobra. Stejně tak pojem, definice i představa nějaké částice nebo její makroskopická stopa (zanechaná na detektoru po dopadu částice), nejsou totéž co tato neviditelná cosi-skutečnost, již se pokoušíme prostřednictvím jazyka, matematiky a experimentů vyjádřit.
Komiks: Záhada dvouštěrbiňáku
Komiks Petr Korunka 
(scénář Filip Grygar)
*Doporučujeme si komiks pro lepší čitelnost zvětšit (ctrl + kolečko myši)
Hrdinové komiksu na obrázku zleva: Niels Bohr, Albert Einstein a Rambousek
Animace:
Dr. Quantum:
Vědomí prý ovlivňuje na dálku dvojštěrbinový experiment:
Několik závěrečných poznámek
Pokud pozorujeme, kudy elektron proletěl (which-way, welcher-weg), tak zjistíme, že vlnový obrazec zmizí. Již od dob náročných rozhovorů mezi Bohrem a Einsteinem byla jedna věc při vysvětlování této záhady více než zřejmá, ačkoli to Einsteina ustavičně roztrpčovalo. Jakmile se chceme podívat, kudy například elektron letěl, potřebujeme světlo. Vypustíme-li světelné paprsky na proud elektronů, fotony obrazně řečeno šťouchnou do vlno-částice, tím interagují s celým systémem, tzv. naruší vlnové chování, a elektrony se začnou chovat pouze jako částice.
Heisenbergovy relace neurčitosti, jež se mimo jiné snažil Einstein zpochybnit, jsou neúprosné: čím přesněji dokážeme lokalizovat částici jako částici, o to s menší přesností získáme informace o její hybnosti a spojitém chování. Platí zde dosud bytostná nemožnost navrhnout nějaké rafinované a citlivé zařízení, které by dokázalo eliminovat toto ovlivnění či interakci se zkoumaným systémem natolik, že by nám dovolilo současně přesně pozorovat jak korpuskulární, tak vlnové chování částic. Jinak řečeno, experimentální uspořádání, které si postavíme například pro zjišťování polohy částic, v sobě zahrnuje nekontrolovatelnou výměnu energie a hybnosti mezi měřenými částicemi a měřicím přístrojem. Když se však rozhodneme postavit další experimentální uspořádání, abychom mohli tuto výměnu kontrolovat a definovat, zjistíme, že si tím zase znemožníme přesný popis zkoumaných jevů z hlediska kauzálního řetězce událostí v prostoru a čase.
Podle Bohra to bylo právě objevení kvanta akce, jež odhalilo meze klasických požadavků na zkoumání, měření a kontinuitu dění. Dosavadní samozřejmý přístup ke kauzálnímu výkladu přírody, kvůli jedinečnosti procesů a diskontinuitě atomárních jevů, jež se dějí na mikroúrovni v organické a anorganické přírodě a tudíž například i v našem mozku, se stal v zásadě nesamozřejmým. Bohr tvrdí, že jakýkoliv pokus získat poznání o takovýchto procesech zahrnuje fundamentální nekontrolovatelnou interferenci s jejich průběhem. Kromě toho poukazuje na to, že uvedené meze zkoumání byly rozpoznány už dlouho předtím například v psychologické introspekci, totiž nutnost uvážit v atomové mechanice interakce mezi měřicími přístroji a objektem zkoumání je přesnou odpovědí na mimořádné obtíže, s nimiž se setkáváme v psychologických rozborech a které vyvstávají ze skutečnosti, že mentální obsah je neustále proměňován, jakmile je pozornost soustředěna na nějaký jeho jednotlivý rys. Bohr si totiž od mládí – díky svému širokému vzdělávání se i v jiných oborech než byla fyzika (nebyl tzv. fachidiot) – velmi dobře uvědomoval, že jakmile začneme vypovídat například o volních procesech nebo naší aktivitě myšlení, tato introspekce již není totéž co uvedené procesy, jedná se o výlučné aktivity či skutečnosti a navíc naše já, které právě vypovídá, není zahrnuto do této výpovědi, zůstává neurčité. Když bychom se však pokusili toto vypovídající já do introspekce přeci jen zahrnout, vzniklo by další vypovídající já, jež by zůstalo opět nezachytitelné a tedy nekontrolovatelné.
Bohr pro tyto účely po celý život rád citoval kolegům, na kongresech nebo v článcích ze své oblíbené chlapecké knížky „Dobrodružství dánského studenta“, kterou napsal filosof a poeta Poul Martin MØller (1794–1838) a již musel každý, kdo dlouhodobě pobýval v Bohrově institutu v Kodani, přečíst, aby se za prvé zdokonalil v dánštině a za druhé se naučil filosoficky promýšlet různé spletité kvantové záhady. V jedné části knihy si povídají dva bratranci, jeden praktický, který má ve všem jasno, a druhý zasněný, jenž popisuje své trauma, když přemýšlí o svém nitru a nezachytitelnosti svého já: Moje nekonečné dotazování způsobuje, že je pro mne nemožné čehokoliv dosáhnout. Nadto se dostávám k přemýšlení o svých myšlenkách o situaci, ve které se nacházím. Dokonce myslím, že na to myslím, a rozděluji sebe sama do nekonečného zpětného sledu »já«, jež se zvažují navzájem. Nevím, u kterého »já« se zastavit jako aktuálního »já«, a v momentě, kdy se zastavím u jednoho, je tam ve skutečnosti zase nějaké »já«, u kterého se zastaví. Začnu být zmatený a cítím takovou závrať, jako kdybych hleděl dolů do bezedné propasti, a moje uvažování nakonec vyústí v příšerné bolení hlavy.
A podobná situace se vyskytuje podle Bohra i v procesech měření, poněvadž přístroje nemohou být zahrnuty do zkoumání, když slouží jako prostředky observace. Pokud bychom totiž chtěli kontrolovat jejich interakci s měřenými jevy, potřebovali bychom k tomu další přístroje, ty by se však v tu ránu nacházely ve stejné situaci jako přístroje předchozí. Tak jako jsou výlučné procesy prožívání a myšlení, právě tak jsou v kvantové mechanice v uvedeném případě výlučné experimentální uspořádání a tato výlučnost je typická pro Bohrův filosofický či epistemologický rámec komplementarity, jehož konkrétním a matematickým vyjádřením je princip neurčitosti.
V kvantové mechanice tedy platí, že mikročástice (vln-tice) spočívá dříve, než ji začneme pozorovat, v tzv. superpozici všech svých možných stavů. V kvantovém dění se totiž vše chová poněkud neurčitě a jaksi holisticky bláznivě, a proto se zde mikročástice může realizovat mnoha způsoby. Každému možnému uskutečnění přísluší Schrödingerova vlnová funkce (wellenfunktion Ψ zavedl v roce 1926 do Broglieho hypotézy a vymyslel pro ni matematický zápis) a součet všech možných amplitud je superpozicí stavů. U pozorovaného systému pak pomocí kvantového měření zjistíme jen jednu hodnotu měření a tou bude jedna amplituda, ostatní amplitudy pro nás, pozorovatele, v ten moment vymizí. Říká se tomu kolaps neboli redukce Schrödingerova vlnového balíku či klubka (Wellenpaket) všech kvantových stavů do stavu jediného. Takto tedy dojde ke zredukování superpozice už do konkrétní faktické dráhy částice, do určitého výsledku, makroskopické stopy částice na detektoru, slyšitelného cvaknutí částice v reproduktoru atd. Sotvaže aktem pozorování narušíme systém, ztratí se interferenční obrazec. Jakmile se zase nedíváme, kudy elektron proletěl, dojde ke spojitému chování a elektron – zdá se – proletěl oběma štěrbinami najednou.
Je však nutné upozornit na to, že dodnes problematickou a kritizovanou redukci vlnového balíčku nezavedl Schrödinger ani Bohr, nýbrž ji prosadil Heisenberg v roce 1929 v Chicagských přednáškách (v jarním článku z roku 1927 o relacích neurčitosti ji pouze naznačil a Pauli o této Reduktion der Pakete v říjnu téhož roku Bohrovi v dopise píše, že je poněkud mystická). Heisenberg v Chicagských přednáškách popisoval určitý druh akce (a kind of action), k níž v experimentálním měření dochází, a termín redukce vlnového balíku (reduction of the wave packet) dal nejprve do závorky. V pozdějších textech dává důraz už na samotného vykonavatele či subjekt měření. U redukce prý jde o skutečnost, že vlnová funkce, znázorňující systém, se mění nespojitě, když pozorovatel bere na vědomí výsledek měření. Tím se podle Heisenberga (ovlivněném v tomto ohledu Aristotelem) uskutečňuje okamžitý přechod od potencionálního k faktickému stavu částice, čili se jedná o výběr jedné z možností skrze akt pozorovatele a ostatní, jak bylo řečeno, zmizí.
Fyzik Eugene P. Wigner (1902–1995) reagoval na Heisenbergův počin takto: Už nebylo možné formulovat plně konzistentním způsobem zákony kvantové mechaniky bez vztahu k vědomí. Vše, co si kvantová mechanika klade za cíl poskytnout, jsou pravděpodobnostní spojení mezi posloupnými impresemi (nazývané rovněž »apercepce«) vědomí, a třebaže můžeme do značné míry posunovat dělicí čáru mezi pozorovatelem, jehož vědomí bylo ovlivněno, a pozorovaným fyzikálním objektem směrem k jednomu či druhému, nelze vědomí eliminovat.
Jako standardní složka pak byla redukce (kolaps) vlnového balíku (funkce) doplněna do kodaňské interpretace a často je v učebnicích ztotožňována s Bohrovým výkladem kvantové teorie. Ten však – vzhledem ke svému pojetí komplementarity, interaktivních systémů, dvojí dimenzi jazyka a fenoménu – jak redukci, tak přílišný důraz na roli pozorovatele či dokonce vědomí, nepotřeboval. Právě tyto rysy kvantové teorie byly a jsou často kritizovány (Einsteinem, Schrödingerem, Planckem a dalšími) a Bohr byl pochopitelně z přisuzování některých aspektů kodaňské interpretace právě jemu rozmrzelý.
Zásadní problém, který fyzici řeší u štěrbinových experimentů dodnes, je následující: i když nebudeme k pozorování používat světelné paprsky, tak vždycky dojde k narušení mikrosystému nejen jakoukoliv sebenepatrnější manipulací s experimentem, nýbrž, což je neuvěřitelné, již pouhou participací na experimentálních podmínkách! Pokud tedy nechceme přijít o interferenční obrazec, experiment nám neposkytne stanovení dráhy letu elektronu při obou otevřených štěrbinách; nevíme, kterou štěrbinou prošel ten či onen elektron, ani zda proletěl oběma štěrbinami (naproti tomu například u jednotlivých střel z pistole toto zjistit můžeme). Jediné, co můžeme měřit nebo zjistit, je pravděpodobnost výsledného dopadu stopy mikročástice na detektoru nebo její slyšitelné zaznamenání v reproduktoru. Co se přesně děje mezi zdrojem a detektorem, nevíme. Pro zajímavost si můžeme porovnat pravděpodobnostní rozložení u střel z pistole a u elektronů, viz následující znázornění (obrázky jsou převzaté z knihy Tony Hey a Patrick Walters: Nový kvantový vesmír, Argo / Dokořán 2005.)
Feynman například zdůrazňuje, že počet elektronů, které dopadnou do určitého bodu, není roven počtu těch, které proletí otvorem 1, plus těch, které proletí otvorem 2, jak by se dalo předpokládat z každodenní zkušenosti nebo když sečteme jednotlivé kulky po pokusu se střelami. Máme totiž stále vtíravý pocit, že každý nedělitelný elektron musí přeci procházet pouze buď jedním anebo druhým otvorem, nicméně tomu tak není. Lze to vyjádřit ještě jinak: ohromující a záhadné se podle Feynmana ukázalo, že existují takové body, do nichž přiletí velmi málo elektronů, když jsou otevřeny oba otvory, ale když jeden z nich zavřeme, přiletí do nich mnoho elektronů, takže zakrytím jednoho otvoru se zvýší počet od druhého otvoru. Jinak řečeno, odkrytím druhého otvoru se sníží pozorovaný počet elektronů dopadnuvších do jistého místa. Avšak je důležité si povšimnout, že střed výsledné pravděpodobnostní křivky dopadu je přesně dvakrát větší než součet jednotlivých pravděpodobností (P12 obsahuje uprostřed 16 kroužků, součet kroužků P1 a P2 je pouze 8). V tomto případě to vypadá tak, jakoby se zakrytím jednoho otvoru snížil počet elektronů, které přilétávají druhým otvorem.
Kdy a kde dochází k určitým interferencím? Kdy a kde k narušení interferencí? Jak to komplexně a současně detailně vysvětlit? Je to všechno dohromady, jak připustí Feynman, úplně záhadné a čím víc na to myslíme, tím se to zdá záhadnější (a tím více vstávaly Einsteinovi z kvantové teorie vlasy hrůzou na hlavě). Nejnověji parafrázoval Feynmanovy podivínské historky o elektronech Brian Green (*1963). To, že elektron mohl projít oběma otvory najednou, ještě není tak ďábelské, píše Green, protože kvantová fyzika došla k tvrzením ještě divočejším. Prý při cestě od zdroje k danému bodu na stínítku letí každý jednotlivý elektron ve skutečnosti po každé myslitelné trajektorii současně. Prolétá krásnou a uspořádanou dráhou skrz levou štěrbinu, zároveň však ukázněně letí i systematickou dráhou skrze pravou štěrbinu. Kulhá směrem k levé štěrbině, ale těsně před ní si to namíří do štěrbiny pravé. Potuluje se nahoru, dolů, dozadu a dopředu, a nakonec proskočí levou štěrbinou. Vydá se na dlouhou cestu do galaxie v souhvězdí Andromedy, vrátí se zpátky a levým otvorem doletí ke stínítku. A tak bychom mohli ještě dlouho vyprávět, jak podle Feynmana elektron současně čmuchá na každé možné trase spojující startovní pozici s cílovou zastávkou.
Gribbin zase líčí úchvatné praktické experimenty z devadesátých let 20. století s tzv. opožděnou volbou, což znamená, že za štěrbiny kvantoví mechanici instalovali speciální detektory, aby mohly detekovat procházející částice či vlny anebo cosi takového, avšak jak víme, takovým procesem pozorování dráhy dojde ke zkolabování superpozice stavů. Proto je v tomto experimentu zkoumán například průchod fotonu tak, že je měřena pouze jeho podoba bezprostředně poté, co prošel štěrbinou (štěrbinami), a de facto jsou detektory současně vypnuty ještě před tím, než foton dorazí na detekční desku (což je při rychlostech fotonů a neuvěřitelně krátkých časech z praktického hlediska velice náročná operace, nicméně již realizovatelná). Tento experiment by nám měl umožnit po detektorovém změření a okamžitém vypnutí (například náhodném vypnutí pomocí počítače, nikoli rukou a tlačítkem) obnovit původní stav před měřením a neznemožnit výsledný interferenční obrazec. Gribbin k tomu dodává, že to, jak se světlo chová v otvorech, by bylo stanoveno teprve poté, co světlo otvory prošlo. A […] nezůstává jen při tom: Ve skutečnosti se můžeme rozhodnout, zda detektory zapneme, či nezapneme, teprve poté, co světlo prošlo otvory. Jenže se ukázalo opět to, co předvídaly Bohrovy závěry: ať děláme, co děláme, pokud nenecháme mikročástice mezi zdrojem a detekční deskou být – v nejširším slova smyslu – znemožníme interferenci. Navíc tento experiment potvrzuje podle Gribbina výše řečené, tzn., že chování fotonů se mění podle toho, jak se na ně chystáme podívat, a to dokonce i v případě, že jsme se ještě nerozhodli, jakým způsobem to uděláme! Jakoby fotony věděly, zda detektory zapneme, anebo nezapneme.
Bohr nebyl nakonec spokojený nejen se zavedeným pojetím kolapsu vlnové funkce, ale také s interpretací a termínem „narušování“ měřeného objektu nebo systému. V tomto případě je podle něj vhodnější hovořit o našem celkovém uspořádání experimentálních podmínek, v rámci nichž se nám teprve něco ukazuje jako tak a tak jsoucí, například makroskopické stopy čehosi, čemu opět my díky naší navržené teorii říkáme částice. Podle Bohra tu působí ustavující vztah mezi pozorovatelem, jeho teorií, experimentálními podmínkami a pozorovanou částicí. Ovšem ani s pojmoslovím „částice“ nebo „objekt“ nebyl Bohr příliš spokojen a po náročných rozhovorech s Einsteinem začal postupně používat a promýšlet pojem fenoménu pro to, „co“ se nám celkově ukazuje v rámci experimentálního uspořádání.
Nejde tudíž o nějaký konkrétní objekt nebo částici. Jestliže tedy například pohneme šroubkem nějakého přístroje, nastane nová situace a nový celkový fenomén, který není jednoduše kauzálně propojitelný s tím předchozím. Proto nemusíme hovořit o narušování, neboť narušovat nebo ovlivňovat můžeme pouze něco, nějaký objekt, který již existuje sám o sobě se svými vlastnostmi bez nás – jako tomu rozumíme v našem každodenním životě nebo jako tomu rozuměl Einstein, Planck a celá plejáda vědců dodnes, z hlediska tradičního novověkého pojetí reality. Naproti tomu u představy mikročástic, které o sobě mohou navzdory času a vesmírným vzdálenostem ihned nějakým způsobem (nikdo neví jak) vědět (kvantová propletenost) a jsou navíc s přístroji i s námi vždy již nějak provázány, tomu tak není, a to Einsteina děsilo. Netušil, že další myšlenkový experiment (EPR či Einstein-Podolsky-Rozen experiment) použitý pro zpochybnění kvantové teorie, který byl prakticky realizován na konci sedmdesátých let 20. století, prokáže kvantovou propletenost, možnosti teleportací – čili že dá opět za pravdu Bohrovi a kvantové teorii.
V poslední části závěrečných poznámek se ještě zmíníme o vybraných interpretacích dvouštěrbinového experimentu. Pro naše účely si dovolíme tyto výklady různě pospojovat a zjednodušit. Některé z nich jsou poměrně kuriózní, a to nejen tím, že postulují ad hoc neprokazatelné předpoklady.
Ve Feynmanově elegantním vysvětlení dvouštěrbinového pokusu je prostřednictvím tzv. sčítání přes dráhy či součtů přes historie možné každé dráze mikročástice přiřadit číslo pomocí stanoveného algoritmu. Tato čísla se potom všechna sečtou (nicméně čísla nejméně pravděpodobných či zcela podivných drah se nakonec vyruší) a při vypočítání pravděpodobnosti dojdeme ke stejným závěrům, které předpovídá kvantová mechanika. Ve Feynmanových diagramech drah se podívejme například na dráhu jablka, které vidíme letící nejkratší cestou z bodu A do bodu B. Pochopitelně to nejvíce přispívá k součtu všech možných drah, poněvadž je nejobvyklejší v našem každodenním světě (podobně nejkratší cestou chodíme doma na toaletu nebo do ledničky, tj. nekličkujeme po celé místnosti, nepřelézáme nábytek, nechodíme přes byt sousedů atd.). Každopádně jakákoli mikročástice může procházet z bodu A do bodu B všemi možnými drahami – tedy i vesmírnými – najednou a Feynmanova teorie dokáže skvěle definovat pravděpodobnosti těchto drah na jakékoli úrovni. Rozdíl mezi naším každodenním světem a tím tzv. kvantovým spočívá mimo jiné v tom, že v našem klasickém světě (založeném tradičně na představě řádu a Newtonském rozvrhu mechaniky) částice nebo pohybující se objekty zastávají pro naše smysly pouze jednu dráhu, již lze určit v prostoru a čase, tzn., že taková trajektorie přesně odpovídá teoretickému parametru či klasické teoretické reprezentaci pozorovatelné dráhy. Leč v kvantovém dění je to jinak, klasické teoretické parametry se prostě neshodují a nereprezentují nějakou konkrétní trajektorii. Veškerá vědecká deskripce je zde ve zcela jiné pozici než deskripce pohybu v každodenním světě nebo klasické fyzice.
Jedna z kuriózních a též různě přetvářených interpretací říká, že v kvantovém světě je vše v posledku determinováno vědomím či myslí. Už Schrödinger v jiné situaci zdůrazňoval, že pozorovatel není nikdy přístrojem nahrazen zcela […] Pozorovatelovy smysly do toho nakonec vstoupit musí. Nejpečlivější záznam, není-li vyhodnocen, nám nic neřekne. Tedy je to vědomí, které uskutečňuje kolaps vlnových funkcí, poněvadž uvědomění si nebo přečtení si nějaké hodnoty měření ukáže pouze jednu možnost, jedno řešení nebo výsledek, a nikoli všechny najednou. Totéž potom platí pro veškeré dění ve vesmíru, které včetně vesmíru „existuje“ díky tomu, že je námi vnímáno – vzpomeňme si v tomto smyslu na tradovanou parafrázi George Berkeleyovy (1685–1753) teze bytí věcí spočívá v tom, že jsou vnímány. Do objektivistické fyziky se prostě dostal velmi silný subjektivní prvek a z uvedeného důvodu došlo k obrovskému zděšení z takovéto nekonzistence. Eugene P. Wigner (1902–1995) vědeckému světu sdělil, že už nebylo možné formulovat konzistentní zákony kvantové mechaniky bez jejich vztahu k vědomí.
Existují samozřejmě další a podivně působící, nicméně zajímavé interpretace vysvětlení záhad kvantového světa a dvouštěrbinového experimentu například z hlediska cestování časem a možností tzv. Cramerovy transakční interpretace, Everettova mnohasvětová interpretace, teorie dekoherence atd. Posun v chápání naší participace na kvantovém dění už na základě nejmodernějších realizovaných experimentů popsal výstižně náš současný fyzik Jiří Podolský. Když se pokusíme dotázat skrze měření na to, kudy mikročástice letěla, nezáleží podle něj přitom vůbec na tom, zda si odpověď na námi položený „částicový“ dotaz opravdu přečteme, stačí pouhá principiální možnost jejího získání. Nedosti na tom! Smazáním této „částicové“ informace způsobíme, že se mikroobjekt okamžitě začne v jistém smyslu znovu projevovat jako vlnění, a to dokonce i v tom případě, kdy experiment dávno proběhl nebo se objekt nachází velmi daleko. O výsledku experimentu se totiž nerozhoduje pouhým zásahem světla, naším bezprostředním aktem vědomí, seberafinovanějším aktem měření nebo jakoukoliv sofistikovanou manipulací s experimentem, jak se ještě nedávno domnívali vědci, nýbrž se jasně prokázalo, že to, co rozhoduje o výsledku pokusu, je samotná informace uchovaná v měřícím zařízení a nikoliv nekontrolovatelné vlivy vzniklé působením zařízení na měřený objekt. Zmíněná skutečnost implikuje vskutku „paradoxní“ možnosti spočívající v tom, že pouhou manipulací s informací o realizované cestě lze ovlivnit výsledek pokusu, a to dokonce dlouho poté, co experiment proběhl.
Naši diskusi o dvouštěrbinovém experimentu můžeme uzavřít Feynmanovými slovy z jeho slavných přednášek z fyziky: „Jak to funguje? Jaký se za tímto zákonem skrývá mechanismus?“ Nikdo za tímto zákonem nenašel žádný mechanismus. Nikdo neumí víc „vysvětlit“, než jsme si právě „vysvětlili“. Nikdo neumí dát nějaký hlubší pohled na tuto situaci. Nemáme ani nejmenší potuchu o existenci nějakého fundamentálnějšího mechanismu, z něhož by bylo možné odvodit tyto výsledky. Paradoxní a současně úchvatné na tom všem je, že kvantová teorie funguje skvěle a s jejími praktickými výsledky žijeme každý den. Kvantová teorie hraje zásadní roli v dalších fyzikálních a astrofyzikálních, chemických, biologických nebo medicinských oborech, umíme díky ní vyrobit nejen atomovou energii, různé druhy polovodičových součástek, jež umožnily rychlý rozvoj elektronických přístrojů a zařízení, lasery, uhlíková vlákna nebo navrhovat nové diagnostické či léčebné metody, ale také ničivé nukleární zbraně atd.
Běžného kvantového mechanika proto nemusí nějaké podivínské diskuse o tom, co se děje ve štěrbinovém experimentu zajímat, poněvadž chce získávat z kvantové teorie nikoli další záhady, nýbrž praktické výsledky, jak vtipně popisuje soudobý fyzik elementárních částic Robert Gilmore: Všechny tyto akademické diskuse o tom, co elektron opravdu dělá či nedělá, to není nic pro nás. Jsme přece především mechanici. Pro mě je nejdůležitější to, že kvantové zákony fungují – a fungují dobře. Když vypočtu amplitudu nějakého procesu, říká mi, s jakou pravděpodobností se co stane. Dává mi pravděpodobnost různých výsledků měření – a dává ji přesně spolehlivě. Mou věcí není starat se o to, co elektron dělá, když se na něj nedívám, já chci vědět, co zjistím, když ho pozoruji. Za to jsem placený.
* Toto je přepracovaný text s komiksem, který byl původně zveřejněn v rámci projektu Idea univerzity, č. CZ.1.07/2.2.00/28.0270 OP VK.
Více viz Dvojštěrbiňák pro laiky
Ilustrace: Petr Korunka
Popularizující články k této problematice od našich renomovaných fyziků
Od J. Podolského viz zde:
Od P. Cejnara a M. Duška v časopise Vesmír viz zde:
