Kvantový svět je realita, která není jednoznačná

Na rozdíl od běžné zkušenosti se částice v kvantové mechanice nechovají jako malé kuličky s přesně danou polohou a rychlostí. Mohou existovat v několika stavech současně, tomuto jevu se říká kvantová superpozice. Dochází při tom k poměrně rozmazanému popisu reality, proto fyzikové jev zachycují pomocí matematického objektu zvaného vlnová funkce.

Problém nastává ve chvíli, kdy se někdo pokusí tento mikrosvět propojit s tím makroskopickým. V našem každodenním životě totiž nic nepůsobí tak neurčitě: například naše židle sama o sobě stojí na jednom místě a hodiny na stěně ukazují jeden konkrétní čas. Přechod mezi světem kvantovým a klasickým je jedním z největších problémů moderní fyziky, které zatím nebyly vyřešeny. A s největší pravděpodobností ještě hodně dlouho nebudou.

Kolaps vlnové funkce: Jak si to vysvětlit?

Tradiční přístup říká, že při měření dochází ke kolapsu vlnové funkce. Tou dobou je celý systém, který se dříve nacházel ve více možných stavech, náhle přikloněn k jednomu konkrétnímu výsledku.

To ale vyvolává další otázky. Co přesně způsobuje tento kolaps? Je nutný pozorovatel? Nebo měřicí zařízení? A proč by měl být svět na základní úrovni neurčitý, ale na té naší už ne?

Tyto pochybnosti byly natolik silné a v podstatě nikam nevedoucí, že fyzici zkusili vyhledat alternativní vysvětlení.

Spontánní kolaps: Kvantový svět se rozhoduje samovolně

Už od 80. let vznikají takzvané modely spontánního kolaps, které předpokládají, že kolaps vlnové funkce není výsledek samotného pozorování, ale spíše přirozený proces, který probíhá sám od sebe.

Na rozdíl od mnoha interpretací kvantové mechaniky, které dávají prostor spíše filozofickému oboru, tyto modely dávají konkrétní předpovědi, které můžeme experimentálně testovat. Alespoň teoreticky.

Tým vedený Nicola Bortolotti se rozhodl jít ještě dál. Vzal vážně myšlenku, že tyto modely mohou souviset s gravitací, proto si položil zdánlivě jednoduchou, ale hlubokou otázku: Co tohle všechno znamená pro samotný čas?

Překvapivé propojení kolem gravitace a kolapsu

Výzkumníci se zaměřili na dva významné modely. Prvním je model navržený Lajos Diósi a Roger Penrose, který dlouhodobě předpokládá, že gravitace může hrát roli při kolapsu vlnové funkce. Druhý model je známý jako Continuous Spontaneous Localization (CSL).

Poprvé se podařilo kvantitativně ukázat, že CSL model může souviset s fluktuacemi gravitačního prostoročasu. Z toho vyvstává hypotéza, že za procesy způsobující kolaps kvantových stavů mohou stát jemné změny samotné struktury prostoru a času.

Zdroj: Shutterstock

Čas není dokonale přesný

Jestliže tyto modely skutečně odpovídají realitě, pak čas není absolutně přesný. Obsahuje totiž drobnou odchylku, vnitřní neurčitost.

To značí, že existuje fundamentální limit, jak přesně lze čas změřit. Není to žádné technologické omezení, nýbrž vlastnost samotné přírody.

Na první pohled to zní dramaticky, ale ve skutečnosti je efekt extrémně malý. Tak malý, že ani ty nejpřesnější atomové hodiny současnosti, a pravděpodobně ani ty v dohledné budoucnosti, ho nedokážou zaznamenat.

Závěr tohoto je bloku je takový, že pro praktické účely zůstává měření času stejně spolehlivé jako dosud.

Kvantová mechanika vs. obecná relativita

Tento závěr zapadá do širšího kontextu jednoho z největších problémů fyziky: sjednocení kvantové mechaniky a Obecná teorie relativity.

Obě teorie fungují výborně, ale každá v jiných měřítkách. Zatímco kvantová mechanika popisuje mikrosvět částic, relativita vysvětluje gravitaci a strukturu vesmíru ve velkých měřítkách.

Primární rozdíl spočívá přímo v chápání času. V kvantové mechanice je čas považován za externí parametr, který je v pozadí všeho ostatního. Naproti tomu v obecné relativitě je čas dynamický: může se ohýbat, zpomalovat nebo zrychlovat v závislosti na hmotě a energii.

Nová studie přichází se stanoviskem, že tyto dva pohledy by mohly být propojené hlouběji, než si moderní věda dosud uvědomovala.

Směr k hlubší teorii reality

Zjištění publikovaná v časopise Physical Review Research rozhodně nepřinášejí definitivní odpovědi. Spíše otevírají nové varianty, se kterými bude možné v budoucnu pracovat.

Ukazují, že i odvážné a zdánlivě spekulativní myšlenky, jako je spontánní kolaps nebo kvantové fluktuace času, lze formulovat tak, aby byly reálně testovatelné, nikoliv jen abstraktně-hypotetické. To je ve fyzice velmi důležité, protože rozdíl mezi filozofií a vědou spočívá zrovna v možnosti či nemožnosti experimentovat.

Zároveň studie přináší určité uklidnění. I když by čas mohl být na fundamentální úrovni vychýlený, obrazně řečeno neostrý, naše schopnost ho měřit a používat zůstává prakticky nedotčená. Moderní technologie, od GPS až po atomové hodiny, tak stojí na pevných základech.