Laser za 50 korun a sklíčko: pokus, ve kterém informace mění realitu

Jan Rak pracuje na největším mikroskopu, jaký kdy lidé postavili

Jaderný fyzik Jan Rak, profesor Univerzity Jyväskylä ve Finsku, strávil pracovní život na urychlovačích, kde se srážejí jádra atomů rychlostí blízkou světlu. Zhruba od roku 2005 patří k experimentu ALICE v CERNu na hranici Švýcarska a Francie. Urychlovač leží asi sto metrů pod zemí, má obvod 27 kilometrů a částice v něm oběhnou celý okruh za 88 mikrosekund. Zdroje vysokého napětí dávají 16 milionů voltů a supravodivými magnety teče proud téměř 12 tisíc ampér. Energie svazku dosahuje kolem 11 gigajoulů, což Rak přirovnává k Boeingu 747 letícímu rychlostí 970 kilometrů za hodinu. Když měření končí, svazek se odkloní do skály vedle tunelu a vypálí do ní díru. Mikroskopem tomu Rak říká proto, že energie svazku určuje, jak malé věci dokážeme rozlišit. Viditelné světlo má vlnovou délku kolem 400 až 500 nanometrů a ukáže jen odpovídající objekty. Kdo chce vidět menší, musí energii zvyšovat.

K tunelu patří i pár historek. Když se urychlovač stavěl, našli se podle Raka šílenci, kteří v něm běželi maraton: čtyři hodiny v tunelu, který vypadá pořád stejně. A sám Rak zažil jako vedoucí směny ve velínu výpadek elektrického proudu. „V prvním návalu paniky jsem si to nejdřív vyfotil, a pak jsem teprve volal,“ přiznává.

Jak se z jedné teorie stane „vědecká pravda“?

Podle Raka ne důkazem, ale generacemi. Na začátku je vždycky spousta modelů, co se při srážce děje. Pak získá jedna skupina profesorů trochu náskok, začne se jí věřit a rovnováha alternativ se naruší. Přijde další ročník mladých fyziků, kteří už vidí, že většina se přiklonila k modelu A, a moc o tom nepochybují. A generace po nich už nepochybuje vůbec: je to dané. „Kdo z vás kdy pochyboval o Newtonových zákonech?“ ptá se Rak a připomíná, že jsou asi 370 let staré. Sám se představuje jako neortodoxní vědec, který přednáší spíš heretické myšlenky, a lidi dělí na skeptiky, kritiky a ty, kdo o věc nemají zájem. Skeptik podle něj přijme, co zapadá do jeho obrazu světa, a zbytek aktivně odmítá. Kritik je ochotný zpochybnit kterýkoli pilíř i vlastního názoru. „To je samozřejmě to nejlepší, co můžete dělat, pochybovat,“ říká.

Jak vypadá věda z druhé strany, ukázal rok 2008, kdy se urychlovač poprvé spustil. Na místě bylo podle Raka kolem 300 novinářů, přenášelo to 450 televizních stanic a Google zaznamenal 100 milionů dotazů. Nejčastější otázka na tiskové konferenci zněla, co se chystáme zjistit z „proteinových srážek“. Srážely se protony. Raka odchytili na chodbě, aby divákům během pěti minut vysvětlil kvark-gluonové plazma, tedy téma, které se podle něj nedá vysvětlit ani za semestr.

Temný vesmír: 96 procent toho, co popisujeme, nikdo neviděl

Dnešní fyzika stojí podle Raka na třech pilířích: speciální teorii relativity z roku 1905, obecné teorii relativity a kvantové mechanice. Obraz vesmíru, který z toho plyne, nazývá temným: podle našich teorií tvoří 96 procent toho, co pozorujeme, temná hmota a temná energie. Scientific American podle něj opakovaně publikoval články s otázkou, jestli je temná hmota vůbec skutečná, a fyzička Sabine Hossenfelder ukázala, že rychlosti galaxií řízené temnou hmotou vedou k výpočetním rozporům. Hossenfelder také napsala, že se fyzika posledních 80 let výrazně neposunula. Higgsův boson byl předpovězen v šedesátých letech a objeven v roce 2012, ale otevřené otázky, jako rozpor kvantové teorie s gravitací, jsou staré minimálně 80 let. Příčinu vidí Rak stejně jako ona: moderní experimenty vyžadují kolaborace dvou až tří tisíc lidí a nikdo si nemůže vybrat 30 miliard eur a postavit vlastní urychlovač, aby si Higgse ověřil.

Ještě dál jde Rak u velkého třesku. Rozpínání vesmíru se opírá o rudý posuv vzdálených galaxií, tedy Dopplerův jev, a to je podle něj experimentální fakt, o kterém se diskutovat nedá. Výklad, že větší posuv znamená rychlejší vzdalování, už je ale konstrukce. Připomíná amerického astrofyzika Haltona Arpa, který našel dvojice galaxie a kvazaru spojené hmotným mostem, a přesto s rudými posuvy lišícími se až desetkrát. Sám dodává, že tahle interpretace je většinou vědců kriticky odmítána, protože nepasuje do velkého třesku, a že hlavní námitky jsou statistické. Rak za sebe říká, že by velký třesk měl být prezentován jako jedna z hypotéz, ne jako vědecká pravda, kterou nikdo nesmí zpochybnit.

Co ukáže laser z hračkárny a začouzené sklíčko?

Celou záhadu kvantové fyziky, tvrdí Rak, a to za pár korun. Laser se dnes koupí v hračkárně za 50 korun. Sklíčko začerníte nad svíčkou a jehlou do sazí škrábnete štěrbinu. Když na ni posvítíte, světlo se za ní rozběhne jako kulová vlna a na stěně uvidíte jednu stopu, nejjasnější uprostřed. To je podle Raka dvě stě let stará věc, Huygens a spol. Když škrábnete štěrbiny dvě, vlny se překryjí jako na rybníku a místo dvou stop uvidíte interferenční obrazec, desítky proužků. I to je ještě stravitelné. Potíž začíná ve chvíli, kdy existuje informace, kterou štěrbinou světlo prošlo. V tom okamžiku interferenční obrazec zmizí a na stěně zůstanou jen dvě stopy. A když detektory u štěrbin odpojíte od záznamu, takže informace vznikne a hned zanikne, obrazec se vrátí. Do chvíle, než částice dopadla na stínítko, informace neexistovala.

Rak popisuje i krajní verzi pokusu. Informace o tom, kterou štěrbinou laser proletěl, se zapsala na pevný disk. Disk se zamkl do trezoru a k němu se přidala nálož, která ho zničila dřív, než částice dopadla na stínítko. „Není moc času, pracujeme rychlostí světla, tak musíte sakra rychle,“ dodává. Výsledek: když disk s informací přežil do okamžiku dopadu, interferenční obrazec zmizel. Když se disk zničil, obrazec se obnovil.

„Ta informace, prostě její čistá možnost, její existence, to, že někdo by se k té informaci mohl nějakým způsobem dostat vědomě, tak vlastně mění tu realitu,“ říká Jan Rak.

Jeden foton ví o celém vesmíru

Na otázku z publika, jak může jeden laser projít dvěma štěrbinami vedle sebe, odpovídá Rak popisem pokusů, kde se intenzita laseru utlumí tak, že na štěrbiny dopadá vždy jediný foton. A ten se chová stejně. Jeho vlnová funkce je podle Raka od okamžiku vzniku rozprostřená po celém vesmíru. „To, co teďka letí na mě, je někde v Austrálii, ale je nenulová. Matematicky to tak je a experimenty to potvrzují,“ říká. Foton tedy projde jednou štěrbinou a „ví“, že mohl projít i druhou, a tato možnost s ním interferuje. Rak to přirovnává k odchodu z místnosti se dvěma dveřmi: kdyby někdo ty druhé zamkl ve chvíli, kdy už stojí venku na Václavském náměstí, smýklo by to s ním o deset metrů. Jakmile u štěrbiny stojí detektor, vlnová funkce „nemá na výběr“ a zkolabuje. O druhé možnosti sice ví, ale přestane s ní interferovat.

Z toho Rak vyvozuje svůj výklad, o kterém sám říká, že interpretací je obrovské množství a tohle je ta jeho. Částice podle něj neexistují, jsou jen vlnové funkce, které dávají vědomí možnost vytvořit informaci. Studentům prý vysvětluje, že pojem částice patří do „semiklasického biliáru“. A stavebními kameny vesmíru nejsou atomy, ale informace. „Ta moje konkrétní sklenice se z atomů neskládá,“ řekl u večeře o sklenici, kterou držel v ruce: je to informace, kterou smysly předávají mozku, a ten z ní vytvoří obraz. Klasický obraz světa, kde subjekt pozoruje oddělený objekt a každý jev má příčinu, tedy lokální realismus, je podle Raka ve světle kvantové fyziky těžko udržitelný.

Dá se zjistit, že bomba funguje, aniž by vybuchla?

Podle Raka ano, a existuje na to publikovaný pokus. Fyzik Lev Vaidman, který navštívil Prahu asi tři roky před přednáškou, přišel s pojmem měření bez interakce a zveřejnil ho v časopise Nature. Představte si hromadu rezavých bomb, u kterých chcete zjistit, které fungují. Klasicky je musíte zkusit odpálit: zjistíte, že funkční byla třetina, ale ta už je pryč. Kvantově vedete laserový paprsek na polopropustné zrcátko, které ho s poloviční pravděpodobností pustí rovně a s poloviční odrazí nahoru. Obě dráhy se u druhého zrcátka setkají a interferují, stejně jako u dvou štěrbin. Na dolní dráhu dáte bombu s nadcitlivou rozbuškou. Funkční bomba funguje jako detektor, takže interference zmizí, i když foton letěl horní dráhou a bomby se nedotklo nic hmotného. Zbývají tři možnosti: bomba vybuchne, obrazec zůstane a bomba je vadná, nebo obrazec zmizí a vy máte funkční bombu, která nevybuchla. Rak dodává, že se to v laboratořích dělá běžně, jen ne s bombami.

Potěšili ho studenti. Na Gymnáziu Jana Keplera přednášel asi sto dvaceti patnáctiletým posluchačům a ti po chvíli navrhli změnit propustnost zrcátka, aby se většina svazku odrážela nahoru a účinnost stoupla. „Tak to přesně takhle funguje. Vyrazili mi dech, že na to přišli,“ vzpomíná. Z dalších bonbonků vybírá kvantový Zenonův efekt. Vezměte atom s poločasem rozpadu dvě minuty a každých deset vteřin se na něj podívejte, třeba mikrovlnným zářením. Rovnice kvantové fyziky začínají odpočet od okamžiku, kdy máte atom k dispozici, takže každé pozorování odpočet vynuluje a atom se nikdy nerozpadne. „Naše partnerky si to uvědomují: když se jim věnuje dostatečná pozornost, přestane jim ubíhat čas,“ žertuje Rak. Lékařka v publiku namítla, že pacienti chodící k doktorovi nežijí věčně. Rak odpověděl, že to funguje obráceně, protože lékař je placený za hledání problémů, a kdo soustředí pozornost na problém, ten ho vždycky najde.

Obálka z finančního úřadu, Nobelova nemoc a červená pilulka

Superpozici, tedy souběžnou existenci více stavů, ilustruje Rak Schrödingerovou kočkou, která je v zavřené krabici současně mrtvá i živá. A dodává detail, který se dnes podle něj moc neví: sám Erwin Schrödinger byl kvantový mystik a kolem padesátých let vznikl pojem kvantový mysticismus, ke kterému se hlásila řada zakladatelů oboru. Existuje prý i výraz Nobelova nemoc: kdo dostane Nobelovu cenu za fyziku, s velkou pravděpodobností se během pár let stane mystikem, protože si uvolnil ruce a začal přemýšlet svobodněji. Pravda je podle Raka možná jen superpozice subjektivních pohledů všech pozorovatelů, a to nejen lidí.

Nejvíc otázek vyvolala jeho hříčka s obálkou z finančního úřadu. Dokud ji neotevřete, jsou pokuta i přeplatek v superpozici, a Rak věří, že na výsledek má vliv stav vědomí ve chvíli otevření, panika, nebo klid. Píšou mu prý stovky lidí: paní z Vídně, že takhle zachránila tři tisíce eur, manželé, kterým po letech doplatků za plyn přišel přeplatek sedm tisíc. Posluchač namítl obrácenou příčinnost a podnikatel v sále se ujistil, že nedoplatek z úřadu si tedy vymysleli sami. Rak odpovídá střízlivě: „Já neříkám, že to je kvantová fyzika.“ Jde o hříčku na hraně psychologie, každý si ji ale může zkoušet denně. Vážněji míní holografický model vědomí Davida Bohma z padesátých let: v mozku nelze najít místo paměti, nikdo po úrazu nezapomněl půlku rodiny a elektrická stimulace vyvolá vzpomínku na smítko na okně. Hologram má stejnou vlastnost, i nejmenší kousek obsahuje celek. Na závěr se Rak ptá po Matrixu: červená, nebo modrá pilulka? Podle něj to čeká každého vědce, který se zamyslí nad tím, co je realita. A má důkaz, že Matrix nechce, abychom zůstali nevědomí: dovolil natočit o sobě trilogii.