Domů     .Top
Molekulární chobotnice a Schrödingerova kočka
Iva Adlerová 21.7.2011

Klíčovou ingrediencí kvantové fyziky je vlnová povaha částic. Vědci nyní demonstrovali nové kvantové experimenty nejen s částicemi, ale i s rekordně velkými organickými molekulami, „šitými na míru“ a podobnými chobotnicím.

Podařilo se jim sestavit molekulu až ze 430 atomů a prokázat experimentálně její kvantovou povahu.

„Do jaké míry složitosti platí kvantové zákony?“ To je otázka, na niž hledal odpověď Markus Arndt se svými kolegy z Vídeňské univerzity, univerzity ve švýcarské Basileji a Střediska výzkumu a vývoje firmy DuPont ve Wilmingtonu v USA.

Kvantová mechanika je jedním z pilířů moderní fyziky přibližně od počátku 20. století, ale některé její předpoklady jako by na první pohled nesouhlasily se »zdravým rozumem« a pozorováním v našem každodenním životě. I proto vědci zkoumali kvantové chování molekul rostoucí velikosti.

Chemici sestavili i chobotnici

„Velkou výzvu v tomto procesu představuje vysoká nestabilita většiny organických komplexů. Podařilo se nám něco do té doby neuskutečněného. Svými experimenty jsme prokázali kvantově-vlnovou povahu sloučeniny, složené ze 430 atomů,“ oceňuje práci svého týmu Markus Arndt.

Pokud vás zajímá, čeho všeho jsou chemici schopni, vězte, že připravili pro experimenty hrozivě pojmenované, ale docela fotogenické molekuly (viz obr.): perfluoroalkylované nanočástice (PFNS8 a PFNS10), fulleren sestavený z 60 atomů uhlíku a složité deriváty tetrafenylporfyrinu (TPPF84 a TPPF152).

Některé připomínají svým tvarem trochu chobotnici, ovšem molekulární. I tak složitý systém s více než tisícem stupňů volnosti však dokázali připravit v kvantovém stavu, dostatečně izolovaný od vlivů ze svého okolí, aby se v co největší míře zabránilo dekoherenci (nespojitosti).

Zahuštěná pravděpodobnost

Klasická fyzika zachází se sadou hodnot vybraných měřitelných (pozorovatelných) veličin. Chceme-li charakterizovat stav nějakého hmotného bodu, udáváme jeho polohu a vektor hybnosti nebo představitelnější směr pohybu a energii. Ostatní veličiny jsou pak funkcí veličin zadaných.

Ovšem „rebelka“ kvantová fyzika je složitější. Předpokládá, že veličina charakterizující daný stav nemusí mít jen jednu hodnotu, ale když ji budeme měřit, můžeme s různou pravděpodobností dostat různé výsledky.

To se vztahuje i na zadání polohy částice v prostoru. Protože prostor bereme za spojitý, můžeme například zadání polohy kmitající částice vyjádřit jako hustotu pravděpodobnosti. Na některých místech bude vyšší, protože tam se částice bude podle charakteru svého pohybu vyskytovat pravděpodobněji, jinde bude hustota pravděpodobnosti výskytu částice nižší, protože se tudy mihne jen občas.

Pro částici pak znamená stav superpozice to, že existuje současně ve všech pravděpodobných stavech v daném okamžiku, právě tak jako legendární Schrödingerova kočka (viz rámeček).

Měl Schrödinger rád kočky?

Rozpory mezi klasickou a kvantovou fyzikou dovedly před 80 lety rakouského fyzika Erwina Rudolfa Josefa Alexandera Schrödingera (1887–1961) k nápadu, zda by bylo možné realizovat stavy extrémní superpozice.

Tedy například k již zmíněné existenci kočky, která je současně ve dvou možných stavech – mrtvá a živá. Protože Schrödinger nebyl jen vědec, ale i člověk, tak experiment nikdy z etických důvodů se skutečnou kočkou neprováděl.

Nicméně úspěšné pokusy se stále složitějšími systémy ukázaly, že je možné reprodukovat důležité aspekty tohoto myšlenkového experimentu s velkými organickými molekulami.

Interference v dětském bazénku

Jednodušší je zahrávat si takhle s částicemi, protože jsou »single« a nekomplikují měření dalšími vztahy, jako například atomy navzájem poskládané do molekuly. Ty už mají svými vzájemnými vazbami dané určité stupně volnosti (stejně jako v partnerském vztahu) a složitý systém vzájemně působících sil je citlivější i vůči vlivům okolí.

Řešením kvantové pohybové rovnice, například Schrödingerovy (viz rámeček), je pak vlnová funkce.

Zatím to vypadá, že se to celé velice komplikuje, ale nedejte se odstrašit, i když jste ve škole hodiny fyziky prospali.

Vlnová funkce se nejčastěji používá pro vysvětlení tzv. interference, tedy vzájemného ovlivňování (prolínání, střetávání) jevů nebo hmoty. Může se jednat o vzájemné působení několika magnetických polí nebo třeba i vln na vodní hladině.

Představte si tedy vodní hladinu dětského bazénku, u kterého sedí proti sobě tři pětiletí pokusníci a každý ze své pozice dělá vlny. Ty se na hladině potkávají, prostupují, odrážejí se od stěn, ty odražené prolínají do těch prvotních i nově vznikajících.

Při jejich pohybu a prolínání se v určitých bodech vzájemně zesilují, zatímco v jiných bodech se vzájemně ruší. To je velmi zjednodušeně naznačen základní princip toho, co má za úkol popsat vlnová funkce.

Molekuly ušité na míru

»Na míru« dokonale sestavené komplikované částice prověřil první kritický krok experimentu, vysokoteplotní odpařování v interferometru (přístroj pro velmi přesná měření). Vědci pak zaznamenávali a porovnávali interferogramy jednotlivých molekul.

Nespojitost způsobovaly například emise tepla a radiace nebo kolize s molekulami zbytkového plynu.

Experimentální hodnoty se ukázaly být ve shodě s kvantovými výpočty a v poměrně zřetelném rozporu s předpovídanými výsledky na základě klasické fyziky.

Překvapivě dobrá shoda

Shoda s kvantovými výpočty „byla vzhledem k vysoké složitosti částic až překvapivě dobrá“, jak konstatovali výzkumníci. Unikátní úspěšně navržené a syntetizované molekulární struktury tak umožnily prokázat kvantovou vlnovou povahu v dosud experimentálně nedostupných hmotnostech a velikostech molekulárních systémů.

Úspěchem je i minimalizovaný vliv vnějších rušivých vlivů, které mohly být příčinou nespojitosti pozorovaných jevů (dekoherence), protože mohutné složité molekuly jsou citlivé na vnější poruchy a rušení.

Chobotnice překročila hranice fyziky

Výsledek, ze kterého měli výzkumníci takovou radost, znamená, že se jim podařilo dostat chobotnici o 430 atomech a více než 1000 vnitřních stupních volnosti do kvantového stavu. Tedy do stavu, kdy molekula byla podle měření obrazně řečeno současně v »pravé i levé pozici«, to znamená naráz ve dvou stavech makroskopicky zřetelně odlišných. Ve stavu, který je v klasické fyzice vyloučen.

Úspěch mezinárodního týmu vědců nepatří jen do oboru teoretické fyziky. Nejsložitější zkoumaná částice je srovnatelná co do velikosti, hmotnosti a složitosti s molekulou inzulinu a tady se již ukazují i další možnosti studia různých regulačních funkcí v organismu a interakcí této složité molekuly.

Vědci tak otevřeli cestu pro kvantové experimenty s částicemi ve třídě složitosti malých proteinů a ukázali, že je možné vytvořit a udržet vysokou kvantovou soudržnost velmi komplikovaného systému.

Čím se proslavila hypotetická kočka?

*Tím, že nevíme, jestli je mrtvá nebo živá. Je v neprůhledné krabici ve společnosti radioaktivního nuklidu a nádoby s jedovatým plynem. Po jedné hodině je 50% pravděpodobnost, že se nuklid rozpadne. Pokud se tak stane, uvolní se plyn a ten kočku usmrtí.

*Po jedné hodině dostaneme stav, kdy je celý tento démonický systém v superpozici – nuklid je rozpadlý i nerozpadlý, kočka je současně živá i mrtvá. To trvá do té doby, než krabici otevřeme a zjistíme skutečný stav.

*V kvantové teorii to znamená, že musí existovat i popis stavu, podmínek, za kterých daná superpozice přestane existovat, vlnová funkce popisující všechny možnosti současně zkolabuje, přestane platit a nastane tedy jen jedna z možností.

*Pro samotného experimentátora kolabuje vlnová funkce v okamžiku, kdy otevře víko. Bráno ad absurdum, v okamžiku otevírání víka je pro nepřítomné kolegy ve stavu superpozice i sám experimentátor, protože otevírá krabici, ve které je s 50% pravděpodobností jedovatý plyn. Pokud nebude opatrný, je pro ně sám v tu chvíli živý i mrtvý.

Fyzika spojitá nebo kvantovaná?

*Přesně v roce 1900 německý fyzik Max Planck (1858–1947) a pět let po něm i Albert Einstein (1879–1955) vyslovili hypotézu, že tok energie elektromagnetického záření není spojitý, ale energie je přenášena po velmi malých kvantech (lat. quantus – kolik).

*To inspirovalo mnoho dalších prací, například charakteristiku fotonu jako elementární jednotky světelné energie.

*Einstein vysvětlil také fotoelektrický jev (elektrony jsou uvolňovány z látky působením elektromagnetického záření).

*Na počátku 20. let francouzský fyzik Louis De Broglie (1892–1987) navrhl uvažovat u veškeré látky jak vlnovou tak částicovou povahu (dualistický charakter). Tím byly vysvětleny interferenční jevy na úrovni různých typů částic.

*Konečně v roce 1926 rakouský fyzik Erwin Schrödinger (1887–1961) formuloval rovnici vlnové funkce a brzy poté německý vědec Werner Heisenberg (1901–1976) prokázal, že klasická mechanika je limitním stavem kvantové mechaniky.

Předchozí článek
Související články
Vesmír 8.8.2019
Působivá kolekce slabých, ale barevných kosmických objektů na tomto snímku je známá jako mlhovina Racek, protože svým vzhledem připomíná ptáka v letu. Útvar tvoří oblaky prachu, vodíku, hélia a malého množství těžších chemických prvků. Celá oblast je místem zrodu nových hvězd. Mimořádné rozlišení tohoto záběru pořízeného pomocí přehlídkového teleskopu ESO/VST odhaluje detaily jednotlivých astronomických objektů, […]
Zřejmě největší druh papouška v historii objevili australští paleontologové. Podle všech indicií dosahoval výšky až jednoho metru, vážil asi 7 kilogramů, nelétal a mohl se chlubit skutečně silným zobákem. Pták dostal pojmenování Heracles inexpectatus a doba jeho života je datována přibližně před 19 miliony lety. „Nový Zéland je dobře známý svými velkými nelétavými ptáky. Dominantní […]
Čeští egyptologové mají v brzké době v plánu tříměsíční výpravu do lokality Abúsír, kde chtějí pokračovat v průzkumu údolního chrámu faraona Niuserrea a okolí hrobky hodnostáře Ceje. Lucie Jirásková z Českého egyptologického ústavu FF UK řekla, že je v plánu také zpracování vykopaných předmětů. „V průběhu výzkumů není moc času na zpracování nálezů. Necháváme si na to tedy měsíc, kdy […]
Protože elektrokola nebývají úplně levnou záležitostí, je pro každého majitele nejdůležitější ze všeho kvalitní ochrana před krádeží. Toho si je dobře vědom i nizozemský výrobce kol VanMoof, který bez mrknutí oka tvrdí, že má tu nejlepší ochranu na světě. Skutečně nepřehání? Pokud se podrobněji podíváme na ochranu jejich elektrokol Electrified S2 a X2, pak je […]
Příroda 7.8.2019
Kriticky ohrožený sýček obecný letos významně posílil populaci díky velkému množství hrabošů. Teď pro něj malý hlodavec může být hrozbou. Zemědělci dostali povolení trávit hraboše plošně rozhozeným jedem. Od 5. srpna jim to umožňuje rozhodnutí Ústředního kontrolního a zkušebního ústavu zemědělského (ÚKZÚZ) podřízeného ministerstvu zemědělství. Ornitologové varují, že v ohrožení je mnoho živočichů a především […]
reklama
Nejčtenější články
za poslední
24 hodin    3 dny    týden
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
reklama
Copyright © RF-Hobby.cz
Provozovatel: RF HOBBY, s. r. o., Bohdalecká 6/1420, 101 00 Praha 10, IČO: 26155672, tel.: 420 281 090 611, e-mail: sekretariat@rf-hobby.cz