V každodenním životě intuitivně chápeme, jak svět funguje. Když upustíte sklenici, rozbije se o podlahu. Zatlačte do vozu a ten se bude kutálet dál. Přistupte ke zdi a nemůžete jí projít. Všude kolem nás se odehrávají zcela základní fyzikální zákony, které instinktivně chápeme: gravitace způsobuje, že věci padají k zemi, tlačení do něčeho způsobuje, že se to pohybuje, dvě věci nemohou současně zaujímat stejné místo.

Na přelomu století si vědci mysleli, že všechna takováto základní pravidla by měla platit pro všechno v přírodě – ale pak začali studovat svět ultramalých věcí. Atomy, elektrony, světelné vlny, nic z toho se neřídilo běžnými pravidly. Když fyzikové jako Niels Bohr a Albert Einstein začali studovat částice, objevili nové fyzikální zákony, které byly vyloženě bizarní. Jednalo se o zákony kvantové mechaniky, které dostaly své jméno podle práce Maxe Plancka.

„Akt zoufalství“

V roce 1900 studoval Max Planck jako fyzik v Berlíně něco, čemu se říkalo „ultrafialová katastrofa“. Problém spočíval v tom, že fyzikální zákony předpovídaly, že pokud zahřejete krabici tak, aby z ní nemohlo uniknout žádné světlo (tzv. „černá skříňka“), měla by produkovat nekonečné množství ultrafialového záření. Ve skutečnosti se nic takového nestalo: krabice vyzařovala různé barvy, červenou, modrou, bílou, stejně jako to dělá zahřátý kov, ale žádného nekonečného množství. Nedávalo to smysl. Byly to fyzikální zákony, které dokonale popisovaly, jak se chová světlo mimo krabici – proč přesně nepopisovaly tento scénář černé skříňky?

Planck se pokusil o matematický trik. Předpokládal, že světlo ve skutečnosti není spojitá vlna, jak všichni předpokládali, ale že snad může existovat pouze s určitým množstvím neboli „kvanty“ energie. Planck ve skutečnosti nevěřil, že je to se světlem pravda, ve skutečnosti později tento matematický trik označil za „akt zoufalství“. Po této úpravě však rovnice fungovaly a přesně popisovaly záření krabice.

Chvíli trvalo, než se všichni shodli na tom, co to znamená, ale nakonec Albert Einstein interpretoval Planckovy rovnice tak, že světlo lze považovat za diskrétní částice, stejně jako elektrony nebo protony. V roce 1926 je fyzik Gilbert Lewis z Berkeley pojmenoval fotony.

Kvanta, všude kvanta

Tato myšlenka, že částice mohou obsahovat pouze kusy energie určitých velikostí, se přesunula i do dalších oblastí fyziky. Během následujícího desetiletí ji Niels Bohr vtáhl do svého popisu fungování atomu. Řekl, že elektrony pohybující se kolem jádra nemohou mít libovolně malé nebo libovolně velké množství energie, mohou mít pouze násobky standardního „kvanta“ energie.

Vědci si nakonec uvědomili, že to vysvětluje, proč jsou některé materiály vodiči elektřiny a některé ne – protože atomy s různou energií elektronových oběžnic vedou elektřinu různě. Toto poznání bylo klíčové pro sestrojení tranzistoru, protože krystal v jeho jádru je vyroben smícháním materiálů s různou mírou vodivosti.

Ale jsou to také vlny

Tady je jedna ze zvláštností kvantové mechaniky: to, že elektron nebo foton lze považovat za částici, neznamená, že je nelze považovat také za vlnu. Ve skutečnosti se v mnoha experimentech světlo chová mnohem více jako vlna než jako částice.

Tato vlnová povaha způsobuje některé zajímavé efekty. Pokud se například elektron putující kolem jádra chová jako vlna, pak se jeho poloha v každém okamžiku stává rozmazanou. Místo toho, aby se elektron nacházel v konkrétním bodě, je rozmazaný v prostoru. Toto rozmazání znamená, že elektrony necestují vždy tak, jak bychom očekávali. Na rozdíl od vody tekoucí hadicí jedním směrem mohou elektrony putující jako elektrický proud někdy sledovat podivné dráhy, zejména pokud se pohybují v blízkosti povrchu materiálu. Navíc se elektrony, které se chovají jako vlna, mohou někdy prokousat přímo skrz překážku. Pochopení tohoto zvláštního chování elektronů bylo nezbytné, když se vědci snažili kontrolovat, jak proud protéká prvními tranzistory.

Takže co je to částice, nebo vlna?

Vědci interpretují kvantovou mechaniku tak, že malý kousek materiálu, jako je foton nebo elektron, je zároveň částicí i vlnou. Může být obojím, záleží na tom, jak se na něj díváme nebo jaký experiment provádíme. Ve skutečnosti by možná bylo přesnější říci, že fotony a elektrony nejsou ani částice, ani vlna – nejsou definovány až do okamžiku, kdy se na ně někdo podívá nebo provede experiment, čímž je donutí být buď částicí, nebo vlnou.

To s sebou nese další vedlejší účinky: totiž že řada vlastností pro částice není dobře definována. Například existuje teorie Wernera Heisenberga, která se nazývá princip neurčitosti. Ta říká, že pokud chce výzkumník změřit rychlost a polohu částice, nemůže obojí provést příliš přesně. Pokud pečlivě změří rychlost, nemůže téměř stejně dobře změřit polohu. To neznamená jen to, že nemá dostatečně dobré měřicí nástroje – je to mnohem zásadnější. Pokud je rychlost dobře stanovená, pak prostě neexistuje dobře stanovená poloha (elektron je rozmazaný jako vlna) a naopak.

Albert Einstein tuto myšlenku neměl rád. Když byl konfrontován s představou, že fyzikální zákony ponechávají prostor pro takovou nejasnost, prohlásil: „Bůh nehraje s vesmírem v kostky.“ Přesto dnes většina fyziků přijímá zákony kvantové mechaniky jako přesný popis subatomárního světa. A jistě to bylo právě důkladné pochopení těchto nových zákonů, které pomohlo Bardeenovi, Brattainovi a Shockleymu vynalézt tranzistor.

Zdroje:
— Kam se poděly podivnosti? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— Co je kvantová mechanika? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein exhibit at the American Institute of Physics
— Heisenberg exhibit at the American Institute of Physics

.