Éter a kvantová mechanika

středa 30. září 2009 00:18

Ačkoliv se to v současných učebnicích běžně neuvádí, teorie relativity i kvantová mechanika mají svoje kořeny v éterové teorii. Základní rovnice obou teorií byly odvozeny éteristy při úvahách o šíření vln éterem. Zatímco H. Lorentz i po převzetí svých transformačních rovnic Albertem Einsteinem do teorie relativity dál (neúspěšně) pokračoval ve vývoji éterové verze teorie relativity, E. Schrodinger se po zveřejnění své rovnice od jejích důsledků distancoval a dokonce se nechal veřejně slyšet, že "lituje, že s tím (tj. s kvantovou mechanikou) měl kdy co společného".

Kvantová mechanika spolu s teorií relativity patří k pilířům současné teoretické fyziky, ale na rozdíl od své starší kolegyně mezi fyziky požívá zřetelně větší respekt. Známý americký fyzik R. Feynman dokonce svého času prohlásil, že "..teorii relativity ... pochopila svým způsobem většina fyziků, kteří se jí zabývali.... Na druhé straně .. mohu klidně prohlásit, že kvantové teorii nerozumí nikdo.". Domnívám se, že bez konceptu éteru není možné kompletně pochopit ani jednu z teorií - ale porozumění všem důsledkům kvantové mechaniky je přece jen poněkud složitější, protože v zásadě vždy popisuje kolektivní jevy mnoha částic současně, není tedy deterministická. 

Při výkladu teorie Velkého třesku pomocí šíření vln na hladině vody bylo uvedeno, že s rostoucí vzdáleností od pozorovatele se povrchové vlny postupně rozptylují ve skrytých dimenzích pod hladinou. Ale při bližším pohledu se situace stává zcela symetrickou, jakmile se začneme zabývat nikoliv velmi vzdálenou, ale naopak velmi blízkou perspektivou. Na velmi krátkých vzdálenostech se šíření povrchových vln také rozpadá v důsledku Brownova pohybu a fluktuací hustoty molekul. Kdybychom byli nuceni na vodní hladině tyto vlny používat jako výhradní zdroj informace podobně jako světlo ve vakuu, nejspíše bychom viděli, že jsou všechny objekty na malých vzdálenostech jakoby rozmazané v šumu Brownova pohybu. A totéž lze pozorovat na vzdálenostech pod jeden mikrometr i v případě mikroskopických objektů - objekty jsou zde rozmazány v důsledku tzv. kvantové neurčitosti. V éterové teorii není náhoda, že vzhled vesmíru na velmi velkých vzdálenostech do jisté míry kopíruje vzhled objektů na vzdálenostech velmi malých a časem se k této souvislosti ještě několikrát vrátíme.

 

Pro lepší pochopení kvantového chování se vrátíme k třírozměrnému modelu časoprostoru jako dynamické houby nebo pěny tvořené fluktuacemi éteru. Zamíchání pěnou se projevuje jako dodatečná turbulence a proporcionálně zvyšuje hustotu prostředí. Podstatou fluktuací je vírové chování éterové tekutiny na jejich povrchu, při vložení energie hustota a intenzita vírů dynamicky roste a při odebrání zase klesá. Podobné chování ostatně vykazuje i obyčejná pěna: když ji protřepáme v lahvičce od šampónu, tak zhoustne a když ji ponecháme v klidu, zase zřídne. V případě vakua je však kvantová pěna vyplněna částicemi éteru a její bubliny nejsou zcela uzavřené, proto je přechod z řidšího stavu do hustšího a zpět velmi dynamický, rychlý a odpovídá vlastně vratné kondenzaci a vypařování éteru v daném místě.

  

Animace vpravo naznačuje způsob, jakým kvantová pěna houstne: v rozích bublin vzniká pnutí a vznikají zde nové příčky a membrány, kterými se pěna postupně zahuštuje (k tomuto mechanismu se později vrátíme, protože má svoje geometrické zákonitosti a důsledky). Pokud máte nainstalovanou Javu, chování kvantové pěny si můžete vyzkoušet na Java appletu, pokud po něm budeme přejíždět myší a tím pěnu "míchat". Pokud Javu nemáte, můžete vzít zavděk alespoň animací níže, která znázorňuje funkci appletu:

 

Vidíme, že kvantová pěna je dokonale elastická, ale protože energie jejího pohybu způsobuje její přechodné zahuštění, každá vlna, která se pěnou šíří se současně propaguje jako hustší nebo řidší čočka, jakýsi blob neboli částice. Na tomto principu je založen známý vlnově-částicový dualismus kvantové mechaniky: každá vlna se vakuem propaguje současně jako částice a částicový charakter této vlny je tím zřetelnější, čím je vlna energie rychlejší a čím má kratší vlnovou délku.

 

Vlna energie kvantovou pěnu zahušťuje a šíří se přes ni současně jako částice

Toto chování lze znázornit dvojitým grafem, kde horní čára znázorňuje vlnu energie a spodní odpovídající profil hustoty kvantové pěny, jejich vzájemný vztah popisuje právě výše zmíněná Schrodingerova rovnice, což je základní rovnice kvantové mechaniky. Její řešení je profil hustoty, kterému se také říká pravděpodobnostní funkce, protože vyjadřuje pravděpodobnost, s jakou v daném místě na vlnu částice narazíme. To je dáno tím, že vlny se hustším prostředím zpomalují, takže v nejhustším místě kvantové pěny také nalezneme největší podíl energie vlny. Tímto aspektem chování kvantová mechanika získává také styčný bod s teorií relativity, protože hustota energie kvantové vlny je přímo úměrná hustotě hmoty kvantové pěny v daném místě a čase podle známého vztahu E=mc^2, který Albert Einstein o několik let dříve odvodil ze speciální teorie relativity.

 

Animace kapaliny vpravo dokumentuje, že popsané chování není nikterak speciální záležitost a je do jisté míry vlastní všem dostatečně rozsáhlým částicovým systémům, pokud vykazují elastické vlastnosti. Obrázek představuje částicovou simulaci kapaliny a intenzita zbarvení znázorňuje aktuální hustotu kapaliny. Vidíme, že povrchové vlny jsou doprovázeny vlnami hustoty kapaliny pod hladinou, pokud její částice na sebe dosedají a zvyšují tak přechodně hustotu kapaliny v daném místě. Vlny šířící se podél plochého kanálu mají řadu vlastností společných s kvantovými vlnami popsanými níže. Protože stěny neuronů jsou rovněž elastické, mechanické vlny které se podél nich šíří lze rovněž popsat kvantovou mechanikou - tomuto aspektu se budu věnovat blíže v samostatném článku o kvantové teorii vědomí.

 

Nelineární chování kvantové pěny má celou řadu zajímavých důsledků. Jedním z těch hlavních je skutečnost, že každá osamocená vlna má díky lokálnímu zvětšením hustoty v místě, kudy se zrovna šíří tendenci zahušťovat, nikoliv rozptylovat a propaguje se prostředím jako tzv. vlnový balík, solitérní vlna nebo tzv. soliton, kterému se v případě světla říká foton. Foton má zřetelně částicovou povahu a odmítá se rozpadnout na menší částice - místo světelných vln se tak vakuem šíří proud fotonů, jak znázorňuje animace výše. Mechanismus, který vlnové balíky udržuje v celku, je totiž do značné míry "samoudržovací": pokud se soliton pokusíme rozrušit, kvantová pěna zřídne a energie se přes ni začne šířit rychleji a tím vlna svoje části dožene a spojí se s nimi podobně jako rtuťová kapka, když ji rozdělíme na menší části. Pokud se naopak soliton stane příliš malý a hustý, šíření vln uvnitř fotonu se tím natolik zpomalí, že se vlnový balíček samovolně natáhne a udržuje tak víceméně stálý tvar. To mj. vysvětluje, proč se světlo i velmi vzdálených hvězd šíří vakuem bez rozptylování, takže i na největších vzdálenostech hvězdy pozorujeme jako dokonalé body, tvořené dopadajícími fotony.

Šíření vlny uvnitř solitonu ale není zcela libovolné, protože musí stále splňovat rezonanční podmínku kmitající struny. Díky tomu soliton může přijímat nebo vydávat pouze diskrétní změny energie odpovídající jeho velikosti, tzv. kvanta, podle kterých kvantová mechanika získala svoje jméno. Příležitostně se budeme zabývat dalšími aspekty chování fotonů a dalších solitonů detailněji, protože v mnoha směrech připomínají chování živých organismů: mohou se transformovat, dělit a za určitých podmínek spojovat na částice viditelné hmoty procesem nazývaným materializace záření.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

REuBzOyzWFOfKVEragVRDqFfWU03:3324.7.2011 3:33:03
iolWfjzsvhwzDJBrmeHVicxRsipv04:3921.7.2011 4:39:14
qBntKHJDnTDmrDWOjqfiicgcK05:1814.7.2011 5:18:09
Vojtěch HarokČásticová - vlnová dualita23:1030.9.2009 23:10:53
PetrikDěkuji za hodnocení11:2630.9.2009 11:26:30
Vojtěch HarokPěkné, pane Petříku,06:4630.9.2009 6:46:38

Počet příspěvků: 6, poslední 24.7.2011 3:33:03 Zobrazuji posledních 6 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik