Zdeněk Hromádka: Schrödingerova kočka: Fyzika v popkultuře a jak s ní pracovat ve vyučování

Fyzika, podobně jako jakýkoli jiný předmět, není vyučována někde v „izolované soustavě“. Takže z vnějšího světa (a tím je dnes zejména svět médií) k žákům přicházejí nejrůznější a často falešné obrazy o vědě a vědcích. Osobně se s existencí fyzikálních symbolů ve světě médií a v popkultuře vypořádávám tak, že aktivně nabádám žáky, aby si sami připravovali referáty a prezentace o populárních vědcích, vědkyních a mediálních symbolech vědy a přispívali tak k vytváření přesnějších a pravdivějších představ o vědě.

Když po mně žáci ve vyučování chtěli, abych jim vysvětlil, co znamená pojem „Schrödingerova kočka“ (jelikož se s ním opakovaně setkali v médiích), byl jsem značně zaskočený. Myšlenkový experiment se Schrödingerovou kočkou totiž patří do sféry kvantové mechaniky a pro vysvětlení tohoto experimentu je třeba pracovat s pojmy, které jsou většinou žákům druhého stupně základní školy naprosto neznámé. Čím začít?

Světlo není pouze vlnění, ale je rovněž reprezentováno částicemi (fotony). Není tedy vyzařováno spojitě ale ve skocích (kvantech). Z takzvaného experimentu na dvojštěrbině vyplývají velmi pozoruhodné vlastnosti kvantového světa. Zdá se, že foton (ale i například elektron či jiné částice) jsou reprezentovány nelokalizovanou vlnovou funkcí, kterou popsal Erwin Schrödinger. Ta vyjadřuje superpozici dané částice v prostoru, tedy jakousi oblast pravděpodobnosti jejího výskytu. Tato funkce ovšem zkolabuje v momentě, kdy je pozorována. V ten okamžik se teprve začne vlnová funkce chovat jako skutečná a jasně lokalizovaná částice, ale její konkrétní poloha závisí, jak se zdá, čistě na náhodě (pravděpodobnosti). Tohle zjištění řadu vědců znepokojovalo. Superpozice, tedy stav, kdy částice současně je a není v nějaké oblasti, a uskuteční se na určitém místě pouze na základě pravděpodobnosti po té, co je pozorována, byla (a je) pro fyziky velkým tématem.

Autor koncepce vlnové funkce pro kvantovou fyziku je Erwin Schrödinger. Navzdory svým úspěchům na poli kvantové fyziky pociťoval k jejím závěrům značnou skepsi. Což vyjadřuje nástin jistého myšlenkového experimentu s kočkou. Jelikož se jedná o čistě myšlenkový experiment, je mnohem méně morbidní, než se na první pohled zdá. Ukazuje, jak nepřirozený je svět kvantové fyziky, když se ze světa kvant přenese důmyslným způsobem do makrosvěta.

Schrödingerův experiment spočíval v tom, že dáme do krabice kočku a ampuli s prudkým plynným jedem. Jed je vypuštěn ke kočce na základě čistě kvantového procesu (Schrödinger navrhl radioaktivní rozpad nějakého radionuklidu tak, aby za hodinu byla šance rozpadu 50 na 50). Pokud detektor zaznamená rozpad, vypustí mechanismus jed. Podle kvantové teorie by byl po hodině celý systém v superpozici. To znamená, že rozpad současně proběhl a kočka je mrtvá, a zároveň neproběhl a kočka je stále na živu. Tato situace se vyjasní až v momentě, kdy pozorovatel otevře krabici a podívá se na kočku. Ale do té doby, než tak učiní, je podle kvantové mechaniky kočka zároveň živá i mrtvá (nikoli živá nebo mrtvá!). A to je divné. Tragická situace Schrodingerovy kočky je často na grafikách předváděna jako westernový plakát s hledamým zločincem s poznámkou Dead and alive (nikoli Dead or alive).

Einstein, přestože hrál klíčovou roli u vzniku kvantové fyziky, se s jejími podivnými zákonitostmi (zejména s jejím nedeterministickým, náhodným charakterem) odmítal smířit, což dokládá jeho slavný argument významnému kvantovému fyzikovi Nielsi Bohrovi: „Bůh nehraje v kostky.“ Bohr mu na to lakonicky odpověděl: „Neraď Bohu, co má dělat.“ Což se dá interpretovat tak, že Bohr respektuje pozorované podivnosti kvantové fyziky a uznává je jako platné, jakkoli jdou často proti intuitivnímu rozumu. Einstein byl naopak přesvědčen, že za těmito podivnostmi je nějaký dosud neobjevený řád, který, až bude objeven, vše vysvětlí lépe a jasněji.

To nám mohou připodobnit ponožky profesora Bertlmanna. To je skutečný vídeňský kvantový fyzik, který důsledně nosí ponožky tak, že má vždy na nohách ponožky různé barvy. Pro vnější pozorovatele se zdá, že se barvy ponožek nacházejí v superpozici až do okamžiku, než Bertlmann nadzdvihne jednu nohavici a realizuje se jedna z možností (vlnová funkce zkolabuje). Díky zdánlivému kvantovému propojení můžeme okamžitě určit (bez dalšího pozorování), že druhá ponožka má jinou barvu než ponožka předvedená. Superpozice je ovšem jenom zdánlivá, protože existuje pozorovatel (sám Bertlmann), který celou dobu ví, jaké barvy se realizují. Ale je to tak i u kvantového světa? Bude někdy možné určit dopředu nikoli s pravděpodobností, ale s jistotou, kde se vyskytne daná částice? Zatím to vypadá, že spíš ne.

Když jsem se o tomhle pokoušel hovořit před žáky druhého stupně základní školy, myslím, že to moc úspěšná lekce nebyla. Ale jsem přesvědčen, že podivnosti moderní fyziky mohou přinejmenším probudit zvědavost o tuto skvělou disciplínu.


Celý text naleznete zde