Nakladatelství Aurora - vydané knihy

Polkinghorne, John: Kvantový svět
Z anglického originálu The Quantum World přeložil Jiří Rameš.
Vázané, 160 stran, 159 Kč, rok vydání: 2000, 1. vydání
ISBN 80-7299-017-9

O knize

V knize Kvantový svět si její autor vytyčil nelehký úkol: pomoci čtenáři, jenž nemá žádné předběžné fyzikální znalosti, aby porozuměl základním principům a nejdůležitějším pojmům kvantové mechaniky.
      Kvantová mechanika je pravděpodobně nejpřevratnější koncepcí, jaká se až do současné doby ve fyzice objevila. Byla vytvořena ve 20. letech 20. století a u jejího zrodu stáli slavní fyzikové jako Bohr, Heisenberg, Schrödinger nebo Dirac. Vznik kvantové mechaniky si vynutila skutečnost, že stále širší třídu jevů, které se týkaly mikroskopických objektů jako atomy nebo částice a které byly nade vši pochybnost pozorovány v experimentech, nebylo možné vysvětlit prostřednictvím fyziky, jakou lidé znali do té doby. Ukazovalo se, že veličiny, o kterých klasická fyzika zcela samozřejmě předpokládala, že se mění spojitě jako proud vody (třeba energie), jsou ve skutečnosti rozporcovány na oddělená „zrnka“ – kvanta. To mělo další netušené důsledky spočívající mimo jiné v tom, že vlastnosti kvantových objektů z principu není možné popsat stejným způsobem jako objekty klasické.
      Pokud se tyto veličiny pokusíme přímo změřit, vstupuje v kvantovém světě do hry pravděpodobnost – lze předpovědět, jaké budou v průměru výsledky velkého souboru opakovaných měření, avšak nikoli, jaký konkrétní výsledek získáme právě v daném případě. Kvantové objekty mají další pozoruhodné vlastnosti, například že částice se v některých ohledech chovají jako vlny. To všechno nevyhnutelně vede k otázkám interpretace. Do jaké míry jsou kvantové objekty reálné? Co se skrývá za procesem měření, pomocí něhož se o kvantovém světě dovídáme? Takové a podobné otázky vyvolávaly a stále ještě vyvolávají diskusi mezi fyziky, ale i filozofy. Kvantová teorie znamenala nepochybně převrat ve fyzice, ale její dosah je širší a ve svých důsledcích ovlivňuje naše obecné představy o uspořádání světa.
      Všemi těmito otázkami se kniha Kvantový svět zabývá. Autor si ovšem pro diskusi o tak zásadních problémech nejprve pečlivě připraví půdu. Již v úvodu vyjadřuje přesvědčení, že kvantová fyzika je natolik významným plodem kultury 20. století, že by byla škoda, aby její chápání zůstalo vyhrazeno pouze omezené skupině odborníků, kteří zvládli příslušný formální aparát. Na rozdíl od mnoha jiných populárních textů o kvantové mechanice, které se snaží zaujmout čtenáře popisem výše zmíněných paradoxů, ale ve skutečnosti nepronikají příliš hluboko pod povrch, volí Polkinghorne jinou, poněkud náročnější metodu. Jeho přístup je jedinečný v tom, že v každém okamžiku zachovává křehkou rovnováhu mezi srozumitelností výkladu a dostatečně podrobným vysvětlením základních pojmů a matematických nástrojů, bez nichž není možné o kvantové teorii dost dobře hovořit. Všechny tyto pojmy ovšem dokáže vysvětlit tak, že to od čtenáře nevyžaduje žádnou speciální průpravu nebo předběžné znalosti, pouze dostatečné odhodlání věci pochopit a přijít jim na kloub. Tak postupně přibližuje pojem kvantově mechanického stavu, fyzikální pozorovatelné, problém měření a podobně. Teprve poté, kdy svého čtenáře zasvětil do základů aparátu kvantové mechaniky, obrací pozornost k interpretačním problémům, které vyvstanou při podrobnějším rozboru kvantových jevů, a dostává se až k diskusi o celkovém smyslu kvantové mechaniky. Čtenář se ovšem nemusí lekat závažnosti tématu – Polkinghorne je zkušený pedagog a z jeho výkladu je vždy patrná až úzkostlivá snaha, aby se čtenář neztratil a nebyl zahlcen novými pojmy, aby chápal, co je v dané chvíli to nejpodstatnější.
      Po přečtení knihy se stane zřejmým, že kvantový svět je v mnoha ohledech jiný než ten, který denně vidíme okolo sebe, a jednoduché analogie a přirovnání k jevům z běžného života pro jeho vysvětlení nestačí. Bez jazyka, který si vypůjčil některé pojmy z matematiky, by bylo správné pochopení základních principů kvantové mechaniky krajně obtížné. Proniknout do tohoto jazyka možná vyžaduje určitou námahu, ale výsledek stojí za to. Kdo chce opravdu porozumět tomu, oč v kvantové mechanice jde – ať už jde o neodborníka se zájmem o přírodní vědy, či o někoho orientovaného spíše na filozofické otázky –, tomu tato kniha poskytuje jedinečnou příležitost.

Úvod

Fyzika dvacátého století se výrazně odlišuje od všeho, co se v této vědě odehrálo předtím, díky dvěma velkým objevům, které zásadně proměnily náš pohled na přírodu a okolní svět. Jedním z nich je Einsteinova speciální teorie relativity, druhým kvantová mechanika. Já osobně nemám nejmenší pochybnost, že kvantová mechanika je z těchto dvou objevů tím výrazně převratnějším. Einstein sice od základu změnil naše chápání podstaty času a význam pojmu „současnost“, avšak jeho dílo je v určitém smyslu posledním velkým plodem klasických tradic ve fyzice. Zachovává názornost popisu a důsledný determinismus, což byly charakteristické znaky mechaniky od Newtonových časů. Kvantová mechanika naproti tomu opouští jasný pojem drah jako čar v prostoru a zavádí do popisu přírody pojem náhlé změny, jež se řídí zásadami pravděpodobnosti. O těchto obtížně uchopitelných kvalitách, které byly přiřknuty fyzikální realitě, bylo a je pronášeno množství nejrůznějších sebevědomých tvrzení. „Moderní fyzika“ je přibírána na pomoc při prosazování všech možných vzájemně protichůdných filozofických postojů. je třeba přiznat, že ani profesionální fyzikové nejsou proti podobným zmatkům imunní. Nedořešené otázky interpretačního charakteru zůstávají v kvantové teorii přítomny dokonce i po více než sedmdesáti letech, po které je s úspěchem používána. Tato kniha nevznikla proto, aby poskytla jednoduché a vyčerpávající odpovědi na všechny podobné otázky. Jejím účelem je pokusit se vymezit, v čem panuje všeobecný souhlas, a na druhé straně popsat ty oblasti diskuse, v nichž se názory zkušených a moudrých mužů vědy dosud liší.
Kvantové teorie je nepochybně jedním z velkých úspěchů kultury dvacátého století. Je příliš významná na to, aby zůstala pouze hájemstvím a potěšením profesionálních fyziků. Proto jsem se pokusil napsat o ní způsobem, který by byl přístupný a srozumitelný pro kohokoli s přiměřenou dávkou inteligence a trpělivosti, kdo je připraven nelitovat námahy a pustit se do toho. Úmyslně jsem se tedy vyhýbal používání matematického aparátu, který by vyžadoval hlubší znalosti než schopnost přečíst jednoduchý vzorec (i když pro ty, kteří toho dokáží strávit z matematiky víc, jsem připravil o něco hutnější menu - je soustředěno v Dodatku).

O autorovi

John Polkinghorne (1930) vystudoval fyziku na Trinity College na univerzitě v Cambridge a po skončení studií zde v roce 1954 nastoupil jako asistent. V 50., 60. a 70. letech patřil ke špičkovým evropským teoretickým fyzikům v oboru fyziky elementárních částic. V roce 1968 se stal profesorem matematické fyziky v Cambridge, v roce 1974 byl zvolen členem Britské královské společnosti.
      Na počátku 80. let se Polkinghorne rozhodl zásadně změnit svůj život. V roce 1983 rezignoval na prestižní místo profesora v Cambridge a plně se věnoval studiu bohoslovectví. Stal se anglikánským knězem a po několik let působil jako vikář v Blean nedaleko Canterbury.
      V roce 1986 se vrátil na univerzitu v Cambridge jako profesor teologie. V roce 1989 byl jmenován prezidentem cambridgeské Queens' College a v této funkci setrval až do svého odchodu na odpočinek v roce 1996.
      V roce 1997 byl vyznamenán Řádem rytířů britského impéria (KBE).
      Kromě mnoha odborných publikací z oblasti teoretické fyziky částic je Polkinghorne autorem několika populárních knih o fyzice a v posledních dvaceti letech napsal řadu knih o vzájemném vztahu náboženství a vědy.

Ukázka z knihy

1. Podivnosti

Laik, který se vydává na výpravu do světa kvantové fyziky, zcela jistě očekává, že se setká s podivnými věcmi. Je připraven na různé paradoxy. Největší z paradoxů mu však nejspíš zůstane skryt, pokud mu o něm neřekne nějaký dobrý a upřímný přítel z řad fyziků. Jde o následující věc: Kvantová teorie je fantasticky úspěšná při popisu struktury mikrosvěta, ale zároveň je předmětem dosud neukončené debaty a sporů o svou interpretaci. Je to podobné, jako by vám ukazovali úžasný a nádherný palác, a přitom vám říkali, že nikdo přesně neví, zda jeho základy spočívají na pevné skále, nebo na sypkém písku.
      O úspěšnosti kvantové teorie nemůže být nejmenších pochyb. Od chvíle, kdy dosáhla v polovině 20.let 20. století úplné podoby, ji denně používají zástupy badatelů, kteří s její pomocí v potu tváře dobývají jen a jen správné a nerozporné výsledky. Ačkoli byla původně vytvořena pro atomovou fyziku, ukázalo se, že je stejně použitelná i pro popis chování současných kandidátů na roli základních stavebních kamenů hmoty, kvarků a gluonů. Při přechodu od atomů ke kvarkům se přitom změní charakteristické rozměry systému více než desetimilionkrát. Je pozoruhodné, že kvantová mechanika dokáže překlenout tak obrovský rozdíl.
      Problémy interpretace se soustřeďují na dvě hlavní otázky - o podstatě reality a o podstatě měření. Filozofové vědy v poslední době často tvrdí, že podstatou vědy je jen nalézání vztahů mezi jednotlivými jevy nebo získávání schopností tyto jevy ovládat. Prohlašují, že náš obraz světa je silně závislý na použitých teoretických představách, a zkoumají rozsah, v jakém jsou vědci podle jejich názoru ovlivněni při svých úvahách sociálními faktory a duchem doby. Takový způsob uvažování zpochybňuje představu, že prvotním cílem vědy a skutečnou podstatou jejích úspěchů je snaha o hlubší chápání reality. Podobné poznámky zvenčí, zpoza pomezní čáry, jistě mohou obsahovat cenné připomínky ke hře zvané věda. Nesmí nás však v žádném případě přivést k tomu, abychom přestali poslouchat, co říkají samotní hráči. A naprosto převládající mínění těch, kdo se hry zvané věda aktivně účastní, je, že opravdu zkoumají, jak věci ve skutečnosti jsou. Cílem jejich snah je něco objevit. Odměnou za strasti a útrapy vědeckého bádání je stále hlubší pochopení toho, jak je svět uspořádán. Podrobnější pohled na dramatický vývoj v některém konkrétním oboru vědy může tento dojem jenom potvrdit.
      Vezměme třeba to, co víme o elektřině, magnetismu a podstatě světla. V 19. století nejdřív Thomas Young demonstroval, že světlo má vlnový charakter. Potom Faraday svými brilantními experimenty prokázal úzkou souvislost mezi elektřinou a magnetismem. Nakonec teoretický génius J.C. Maxwella zavedl pojem elektromagnetického pole, jehož oscilace bylo možné ztotožnit s Youngovými světelnými vlnami. Byl to skvělý úspěch. Příroda se však ukázala být složitější, než si dokonce i Maxwell uměl představit. Na počátku 20. století byly pozorovány jevy, které neméně přesvědčivě ukazovaly na to, že světlo se skládá z maličkých částic. (Celý tento příběh budeme vyprávět v následující kapitole.) Vzniklé vlnově-částicové dilema vyřešil až v roce 1928 Dirac tím, že vytvořil kvantovou teorii pole, formalismus, který dokáže kombinovat vlny a částice bez nejmenší stopy paradoxu. Další vývoj kvantové elektrodynamiky (tak se teorie vzájemného působení světla a elektronů jmenuje) vedl až k výpočtům jevů, jako je Lambův posuv ve spektru vodíku, které souhlasí s experimentem po samou hranici dosažitelné přesnosti několika desetitisícin procenta dané hodnoty. Může někdo pochybovat o tom, že jsme svědky stále se prohlubujícího porozumění reálné skutečnosti? V našem příběhu je ovšem zároveň nebývale mnoho věcí, které vypadají podezřele. Kvantová elektrodynamika obsahuje, jež jsou v naprostém protikladu k tomu, co vy jakýkoli fyzik 19. století mohl považovat za přijatelné. Na druhé straně je zde i výrazný prvek kontinuity, kdy koncepce vln a polí hraje v každém okamžiku rozhodující roli. Určujícím a zároveň omezujícím prvkem při tomto dlouhém vývoji nebyla lidská duchaplnost či důmysl, ani tlaky společnosti, ale sama podstata přírody a světa, jak se projevovala při důkladnějším zkoumání.