Vlny, částice a fullereny

Lze použít základní pojmy kvantové fyziky na „klasické“ objekty denního života právě tak jako na objekty atomové a subatomové úrovně? Můžeme smysluplně připsat vlnové vlastnosti takovému každodennímu objektu, jako je fotbalový míč, anebo kvantová teorie na určité úrovni selhává? V té či oné podobě jsou tyto otázky kladeny od té doby, kdy byla kvantová teorie objevena. V časopise Nature ze 14. října 1999 je publikována zpráva o experimentech skupiny Antonyho Zeilingera z Vídeňské univerzity, které ukazují, že molekula fullerenu C₆₀ má jak vlnové, tak částicové vlastnosti, přesně tak jak to předpovídá kvantová teorie. Fulleren (viz Vesmír 76, 65, 1997/2) je pochopitelně mnohem menší než fotbalový míč, ale má hmotu přinejmenším o řád větší než kterýkoli z těch objektů, pro něž už dříve byly vlnové vlastnosti pozorovány.

V souvislosti s elementárními částicemi je velmi málo možností pro pochyby o správnosti postulátu o vlnově-částicové dualitě. Zhruba před 80 lety princ Louis de Broglie navrhl, že „atomové“ částice, jako jsou elektrony, mají jak vlnové, tak částicové vlastnosti. Tomu se dostalo brzkého potvrzení experimenty Davissona a Germera, kteří poprvé prokázali difrakci elektronů; v experimentech s difrakcí neutronů byly vlnové vlastnosti neutronů využity před nejméně 50 lety.

Archetypální příklad vlnově částicové duality je dvouštěrbinový experiment (obr. dole). Vlna prochází přes stínítko dvěma štěrbinami. Rozštěpí se do dvou částí, které se na dalším stínítku znovu spojí a vytvoří interferenční vzorec. Právě vznik tohoto interferenčního vzorce je jednoznačným projevem vlny. Zejména je těžké vysvětlit jiným způsobem fakt, že dvě komponenty se v určitých bodech vzájemně vyruší. Na druhé straně, kdykoli objekt dospěje ke stínítku, je detegován jako částice – proto ten termín „vlnově částicová dualita“.

I v atomových měřítkách před nás staví vlnově-částicový dualizmus těžké otázky. Např. prochází částice ve skutečnosti jednou nebo druhou štěrbinou, anebo nějakým způsobem existuje v obou štěrbinách současně? Víme, že pokud vložíme do štěrbiny detektory, vždy shledáme, že částice prošla jednou nebo druhou štěrbinou; podstatným důsledkem takových měření však je, že se nevytvoří interferenční obrazec, takže se neprojevují vlnové vlastnosti. Podobné výsledky vedly Nielse Bohra k návrhu, že typ vlastností (např. vlnové nebo částicové), jež můžeme připsat kvantovému systému, závisí na typu pozorování, které na něm vykonáváme. Byla navržena i jiná řešení tohoto problému, včetně patrně bezmezné interpretace „mnoha světů“, v níž takové měření rozdělí měřící přístroj a vše, co interaguje, do dvou větví. Ty nadále pokračují v existenci, ale navždy bez vědomosti o existenci druhé větve.

Ústřední otázkou v této debatě je, zda a jak se kvantová teorie aplikuje na makroskopické objekty. Zeilingerova skupina je známa pro své pionýrské práce s neutronovou interferometrií. Jejich poslední práce prokazuje interferenci de Broglieových vln spojených s molekulalmi fullerenu C₆₀.

Fuleren sice není makroskopický objekt, ale je řádově těžší než cokoli, co bylo dosud studováno. Protože fulleren je molekula velká a v experimentu je dosti „horká“, jsou jeho atomy v neustálém pohybu. Aby mohlo dojít k interferenci, musí tyto pohyby při průchodu štěrbinou zůstat koherentní. Jakýmkoli procesem, který by v principu dovolil pozorovateli určit, kterou štěrbinou molekula prošla, by byla tato koherence porušena. Vídeňští fyzici vypočítali, že za teploty, při níž je experiment prováděn, by molekula fullerenu během průchodu aparaturou mohla vyzářit dva až tři infračervené fotony. Protože však vlnová délka odpovídající těmto fotonům je mnohem větší než vzdálenost mezi štěrbinami, nenesou tyto fotony opět žádnou informaci o tom, kterou štěrbinou molekula prošla (a tedy není ovlivněn interferenční vzorec).

Experiment Zeilingerovy skupiny posunul pozorování vlnově-částicové duality o řád směrem k makroskopickým objektům. Zbývá však ještě asi 15 řádů, než by se dosáhlo hmoty, kterou normálně za makroskopickou považujeme. „Jestliže se cokoli může chovat jako vlna nebo částice podle toho, jak to pozorujeme, co to znamená, jestliže to zahrnuje to, co normálně nazýváme pozorovatel nebo měřicí přístroj, anebo dokonce vesmír jako celek? A jestliže se na druhou stranu ukáže, že to je v principu nemožné, dosáhli jsme bodu, kdy se kvantová fyzika už nedá použít, a byly by nalezeny meze nejúspěšnější teorie v historii fyziky,“ končí svůj komentář v Nature Alastair I. M. Rae z Birminghanské univerzity.

Nature 401, 651–653, 680–682, 1999