Žijeme v makrosvětě – hmatatelném, pochopitelném, předvídatelném, kdy upustíte skleníčku na zem a ta se rozbije. Ale v mikrosvětě nic z toho neplatí. Sklenička proletí skrze zem, aniž by se rozbila.

„Přitom i kvantová fyzika je všude kolem, je základem všeho – chemie, fyziky, medicíny,“ říká ve 21. rozhovoru pro 21. STOLETÍ profesor RNDr. Pavel Exner, DrSc. z Ústavu jaderné fyziky. .

Zkuste si na chvíli představit, že stav předmětu může záviset na tom, zda se na něj díváme. Zatímco o existenci objektů jako materialisté nepochybujeme, kvantová fyzika nás přinutila znovu se zamyslet nad tím, co je a co není realita.

Schrödingerova kočka, jíž nevěnujeme pozornost, je v superpozici stavů – současně živá i mrtvá. Atom může uvnitř vymezené oblasti současně být a nebýt. A kvantový Zenonův jev, odkazující jménem k paradoxu, který trápil staré Řeky, ukazuje cestu, jak přemíra pozornosti může způsobit zamrznutí v čase.

Je kvantová fyzika pochopitelná i v běžném životě? „Je velmi pozoruhodné, že je pro lidi těžko představitelná, ačkoli jí jsme obklopeni. V podstatě každý přístroj, který dnes vezmete do ruky, pracuje na bázi kvantových jevů – ať už si vezmete LED světlo, počítač nebo televizi.

Bez porozumění kvantové podstaty toho, co probíhá v jednotlivých součástkách, bychom je nikdy nemohli vymyslet ani vyrobit“, říká matematický fyzik, laureát Ceny Neuron za přínos světové vědě a jeden z nejuznávanějších českých badatelů, který se podílel i na založení Evropské výzkumné rady, profesor RNDr. Pavel Exner, DrSc.

 

Jedenadvacátý rozhovor časopisu 21. STOLETÍ

Vizitka

prof. RNDr. Pavel Exner, DrSc.

Narozen: 30. března 1946

Hlavní obor profesora Pavla Exnera je matematická fyzika, ve které získal mezinárodní věhlas.

Jako jeden z nejuznávanějších českých badatelů se podílel na založení Evropské výzkumné rady (ERC), která uděluje těm nejlepším vědcům velkorysé granty; v letech 2011–2014 byl jejím vicepresidentem.

V roce 2016 obdržel Cenu Neuron za přínos světové vědě v oboru matematika.

 

 

Přitom se i Albert Einstein ve své době nemohl smířit s koncepcí kvantové fyziky. Bojoval především proti „strašidelnému působení na dálku,“ jak říkával. Aby dokázal, jak moc jsou základy kvantové teorie nepevné, v roce 1935 zformuloval se dvěma spolupracovníky známý EPR paradox..

Ano, myšlenkový experiment, popisující Einstein-Podolsky-Rosenův paradox, se pokoušel vyvrátit kodaňskou interpretaci kvantové mechaniky. Jde o to, že můžete mít dvě částice, které jsou daleko od sebe, a přitom mohou být ve stavu, kterému se česky říká „provázaný“.

Když na jedné z nich v tomto stavu vykonáte měření, tak už dopředu víte něco o výsledku měření vykonaném na tom druhém.

A jak se to může projevit?

Existují částice, které mají spin. Můžete si jej představit jako rotaci, i když to není ono, ale je to něco, co určuje směr. A ty směry mohou být buď nezávislé, anebo stav částice může být takový, že jsou spinové stavy nějak svázány.

Při měření vám jedna hodnota může vyjít s nějakou pravděpodobností. A když už jste toto měření vykonali, potom to má vliv na výsledek měření druhé částice, která může být třeba o několik světelných let dále.

To samozřejmě neznamená, že by se tímto způsobem daly přenášet signály, ale jev samotný má i praktické užití, třeba v kvantové kryptografii.

Chování částic v kvantové teorii řeší tzv. Schrödingerova rovnice, jejíž řešení nám určuje pravděpodobnost, s jakou např. elektron najdeme na určeném místě.

To je nejen teorie, dnes je kvantová mechanika mnohonásobně ověřená a Schrödingerova rovnice je základem spousty praktických aplikací, o nichž jsem se zmínil.

Když už jsme u Erwina Schrödingera… Ten stojí i za laicky nejznámějším myšlenkovým experimentem – Schrödingerovou kočkou –, který formuloval roku 1935, aby poukázal na problémy kodaňské interpretace kvantové mechaniky, když je aplikována na makroskopické objekty z běžného života.

Podle tohoto experimentu může být kočka současně živá i mrtvá, ve stavu kvantové superpozice..

Vypadá to jako paradox, ale jde o to, že neumíme dost dobře popsat proces měření. Jde o problém, na kterém lidé neustále pracují, vytvářejí modely, ale řekněme, že jsou povětšinou dost složité. Postrádají onu jednoduchost kodaňského schématu.

 

Schrödingerova kočka

Rakouský fyzik Erwin Schrödinger ve 30. letech minulého století velmi atraktivní formou upozornil na nedostatky obecně přijímané interpretace kvantové mechaniky. Navrhl myšlenkový experiment, v němž umístil živou kočku do neprůhledné krabice.

Tu pak následně neprodyšně uzavřel. Kromě kočky se v ní nacházela i nádoba s jedovatým plynem a radioaktivní atom, jehož rozpad nádobu otevře a uvolní plyn, který by kočku zabil..

Z hlediska kvantové mechaniky se kočka po celou dobu nachází v tzv. superpozici, tj. kvantovém stavu „složeném“ ze dvou (či více) nezávislých stavů. To by v tomto případě znamenalo, že dokud nezjistíme stav kočky prostým otevřením krabice, je tato kočka zároveň živá i mrtvá.

Jakkoli je taková situace v souladu s kodaňskou interpretací kvantové mechaniky, kterou lze bez problémů aplikovat na malé objekty (jako elementární částice, atomy či molekuly), v použití na makroskopické objekty může vést k absurdním závěrům..

 

Stejně to není jednoduché na pochopení…

Já si nemyslím, že je těžko uchopitelné (úsměv). Ono se to pozná dokonce i podle toho, jak se vyvíjí „lidové badatelství“. To jsou lidé, kteří přicházejí se zběsilými teoriemi – za mých studentských let se zaměřovali hlavně na teorii relativity, protože kvantové fyziky se zřejmě báli.

Dnes je lidových badatelů v kvantové fyzice poměrně dost, takže i na této úrovni se lidé začínají osmělovat. Což neznamená, že tomu takový lidový badatel rozumí (úsměv).

Ale teď seriózně. Jelikož kvantová mechanika je věc téměř průmyslová, protože je možné ji najít zhruba v 80 % věcí, které nás obklopují, metody a chápání toho, jak to funguje, by měly patřit k základnímu vzdělání.

Kdybychom se měli zaměřit trochu na budoucnost, kde vidíte největší příslib kvantové fyziky, co se týče vědy nebo normálního života. Jsou to kvantové čipy v počítačích?

Nejde ani tak o čipy, jako spíš o kvantové počítání, i když to je věc, která není tak úplně nová. Řekněme, že ji předpovídal již Richard Feynman. Nyní se ale velmi prudce rozvíjí, a pokud se podaří teoretické koncepty převést na něco reálně fungujícího, může to znamenat veliký průlom.

Slyšel třeba o faktorizaci přirozených čísel?

Ne.

Tak se vás zeptám, proč můžete užívat své kreditní karty?

Protože jsou zabezpečené.

Ano, ale jak? Je v nich umístěn kód, který umožňuje, aby komunikace mezi vámi a příjemcem vaší platby byla bezpečná, aby ji nikdo nedovedl přečíst. A jeden ze základních elementů je založen na faktorizaci přirozených čísel.

To je problém rozložení čísla na součin menších čísel. Samozřejmě víte, co je to prvočíslo.

Číslo dělitelné sebou samým a jedničkou.

Ano, ale pokud nejde o prvočíslo, dá se faktorizovat – rozložit je na součin prvočísel.  Třeba číslo 15.

3 x 5.

Když vám ale dám hodně veliké číslo a vy budete chtít najít jeho rozklad, začnete je dělit dvojkou, trojkou, poté pětkou a dalšími prvočísly, než dojdete do odmocniny, protože i když se rozkládá na součin pouhých dvou prvočísel, žádné z nich není větší než odmocnina.

A s velikostí čísel roste doba, kterou potřebujete k tomu, abyste ten problém vyřešil. Kdybyste chtěl kódy ke kartám prolomit tímto způsobem, potřeboval byste k tomu rámcově miliony let. Ale existuje algoritmus, který na základě kvantových vlastností – na základě logiky, která není založena jako klasická logika na číslech 0 a 1, ale na číslech, jež si můžete představit jako body na povrchu jednotkové koule.

Tento algoritmus, který objevil Peter Shor, umožňuje takové číslo faktorizovat podstatně rychleji; potřebná doba nejde exponenciálně, ale s nějakou mocninou délky faktorizovaného čísla.

V momentě, kdy byste sestrojil mašinu, která toto dokáže udělat, je vaše kreditní karta k ničemu, protože ten váš kód může být přečten. Problém je ovšem v tom, že sestrojit takovýto kvantový počítač není jednoduché, a důvod je, že nežijeme ve světě nulové teploty.

Potřebujete plnou kontrolu nad stavy příslušných elementů systému. Když máte nějaké spiny, musíte vědět, že když je změříte, tepelné fluktuace vám ten výsledek nezkazí.

Mluvíme-li o kvantových jevech, jež se vzpírají názorné představě, dám vám jiný příklad – Zenónův kvantový efekt…

Aporie o letícím šípu…

Zénón z Eleje, předsokratovský filozof, tvrdil, že letící šíp, pozorovaný v jakýkoliv okamžik svého pohybu, se nachází na jednom místě, v kterém je de facto v klidu. Zdánlivě paradoxní závěr byl důsledkem to, že Řekové neuměli zacházet s nekonečně malými veličinami;

proto došel k závěru, že pokud je šíp v klidu v každém okamžiku svého letu, znamená to, že je v klidu i v čase, což znamená, že se nepohybuje.

A v nedávné době se Zenonovo jméno začalo užívat v souvislosti s rozpady kvantových systémů, například atomů. Znáte příklady takových rozpadů?

Rozpad izotopu při určování radiokarbonového datování.

Ano, C14. Když žijete, máte v sobě určité množství uhlíku C14, protože se vám v těle neustále obnovuje. Po smrti se ale bude v kostech rozpadat. Když se tedy změří, kolik ho ještě zbývá, zjistí se, jak dlouho je to od doby, co životní proces ustal.

Přitom se předpokládá, že pravděpodobnost přežití ubývá exponenciálně. Existují ale důvody, proč se skutečný rozpad od exponenciálního průběhu sice málo, ale přesto významně liší.

A teď si představte, že vezmete rozpadající systém a budete ho měřit velmi často. Změříte, je nerozpadlý, zase ho změříte, zase je nerozpadlý… A tím, že ho měříte, ho vracíte do nerozpadlého stavu. Pořád na začátek.

Když vezmete exponenciální funkci a po částech násobíte, dostanete zase exponenciální funkci. Pro skutečný rozpadový zákon ale ta drobná odchylka znamená, že častá měření rozpad zpomalí, a když je – teoreticky – měření trvalé, rozpad se zastaví.

A ejhle, máme tu neletící šíp. Původně se takový jev hledal u rozpadajících se atomů. Tam se jej nepodařilo najít, ale našel se v jiných systémech, a dnes pomáhá např. zlepšit funkci komerčně vyráběných magnetometrů.

A jsou lidé, kteří tvrdí, že stejný jev v mozku holubů jim pomáhá lépe se orientovat podle zemského magnetického pole,.

Před pěti lety jste obdržel cenu Neuron za přínos světové vědě, byl to závazek?

Každá cena udělená vědci je svým způsobem závazek. Ale je to současně i znak toho, že to, co dělá, našlo odezvu. Část publika, která je tomu blíž, čímž myslím, že výsledky chápe a rozumí jim, je pak může používat. To samozřejmě člověka potěší.

Také patříte k zakládajícím členům Evropské výzkumné rady (ERC), který rozděluje granty ve výši 0,5 až 2,5 milionu eur pro nejlepší vědce. Shodou okolností v uplynulých týdnech brněnská věda – Masarykova univerzita a výzkumné centrum CEITEC – získaly dva zahraniční držitele grantů..

To je dobře, je to vědecká liga mistrů. Za strategii ERC je odpovědná vědecká rada, která má 22 členů. Základní myšlenkou grantů bylo a je, že má jít o něco, co bude skutečně nové, průlomové. Už jen to, že vás vědecká komunita takovým způsobem a grantem ocení, odráží, že proces výběru, kterým granty procházejí, je asi nejlepší možný.

Do procesu posuzování struktury panelů jsou angažováni nejen ti nejlepší z Evropy, ale i z celého světa. Mladší typy grantů, tak zvané startovní a konsolidační, jsou udíleny na základě procesu, který zahrnuje interview s aplikantem.

A když jsem s uchazeči hovořil, říkali, že se se přitom cítili jako na semináři nejvyšší úrovně.

Dá se říct, že výběr je nastaven tak dobře, že návratnost grantů vědě a lidstvu je o to zásadnější?

Samozřejmě je v tom i risk. Ale zdá se, že ERC se výběr obecně vede. Množství ocenění, která přicházejí nositelům grantů, není malé. Mohu uvést anekdotu.

Prosím…

Když jsme v roce 2005 začínali a evropský komisař nás uváděl do funkce, řekl nám, že je v podstatě vše na nás, že si vše můžeme vymyslet, jak chceme, ale dodal: „Neuškodilo by, kdybyste brzy vyprodukovali nějakou Nobelovu cenu.“.

První výzva, která nás málem zabila, překonala očekávání. Odhadovali jsme tak 2000 přihlášek, dostali jsme jich přes 9000. V prvním kole dostal ale grant třeba rusko-britský fyzik Konstantin Novoselov na téma, za které roku 2010 s Andrem Geimem Nobelovu cenu dostal.

Šlo o objev grafenu. Systém byl už zkraje vytvořen tak dobře, že i při hodně přísném výběru toto téma neprošvihnul.

Ještě ke kvantové fyzice… Souběžně s teorií relativity předefinovala do té doby platné základy klasické fyziky. Obě teorie, které se experimentálně mnohokrát potvrdily, se však zatím nedaří sloučit do jednoho funkčního celku, do takzvané „teorie všeho“. Dočkáme se toho někdy?.

To je důležitá otázka. Jsem vědec, takže věřím, že máme-li otázky, které jsou otevřené, uděláme vše pro to, abychom se dobrali řešení. Je těžké předpovědět, jak dlouho to bude trvat, ale věřím, že dříve nebo později se k řešení dopracujeme.

Jan Zelenka