Einsteina s Bohrem. Dialog. Pavel Cejnar. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK

Transkript

1 Dialog Einsteina s Bohrem Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK Přednáška v rámci cyklu Potkal jsem Einsteina, pánové, podzim 2017

2 Dialog o kvantové mechanice ristotelés Sókratés Platón Rafael Santi: ténská škola ( ),Vatikánský palác

3 lbert Einstein (Ulm) 1955 (Princeton) Tvůrce teorie relativity 1905: speciální teorie relativity 1915: obecná teorie relativity 1916: gravitační vlny 1917: kosmologie Spoluzakladatel kvantové teorie 1905: vysvětlení fotoelektrického jevu pomocí kvant elmg. záření (fotonů) 1907: model pevné látky jako soustavy kvantových oscilátorů (vysvětlení tzv. problému měrných tepel ) 1909: teorie elmg. záření první formulace vlnově-částicového dualismu 1911: příspěvek k principům kvantování dynamiky klasických systémů dnes připomínaný v rámci teorie kvantového chaosu : koncept nulových kmitů (spolu s O.Sternem) kvantové fluktuace při nulové teplotě, článek ale stáhli 1917: předpověď stimulované emise (dnes základ laserů) 1924: kvantová statistika, spolu s S.N.Bosem: Bose-Einsteinův kondenzát Kvantový heretik : podporuje neortodoxní interpretaci kvant.mechaniky (L.deBroglie) 1935: s B. Podolským a N. Rosenem objevuje kvantovou provázanost a kvantovou nelokalitu

4 Niels Bohr 1885 (Kodaň) 1962 (Kodaň) 1935 Zakladatel tzv. staré kvantové mechaniky 1913: Bohrův model atomu On the Constitution of toms and Molecules 1918: vysvětlení periodické soustavy prvků 1923: G.Hevesy v Bohrově ústravu objevuje Bohrem předpovězený prvek Hafnium 1922: Nobelova cena za výzkum struktury atomů a z nich emitovaného záření Vykladač a propagátor vznikající kvantové teorie 1921: založení Ústavu teoretické fyziky v Kodani ( Mekka kvantové teorie, ale také významné experimentální centrum) : spolupráce s Heisenbergem na objasnění principu neurčitosti 1927: výklad principu komplementarity, klíčový podíl na vzniku (dnes tak nazývané) kodaňské interpretace kvantové mechaniky utor významných příspěvků k teorii atomového jádra 1936: objasnění mechanismu reakcí jader s neutrony 1939: fyzikální vysvětlení štěpení uranu (spolu s J..Wheelerem) 1943: významná role v Manhattan projektu 1948: teorie průchodu jaderných částic hmotou Interdisciplinární myslitel a filosof vědy : koncepční práce týkající se biologie

5 Kvanta světla Max Planck Světlo = kvanta elmg. pole částice! Max Planck 1900 Vztah mezi částicovými a vlnovými vlastnostmi světla udává Planckova konstanta h E h h p n 34 J s

6 Kvanta světla lbert Einstein 1905 Světlo = kvanta elmg. pole částice! lbert Einstein 1905: na existenci fotonů založil vysvětlení fotoelektrického jevu fotony nejsou jen matematický výmysl, ale doopravdy existují! h E h h p n 34 J s

7 Kvanta světla : Einstein publikuje sérii prací o kvantové teorii záření. Závěr salzburgské přednášky v září 1909: Chtěl jsem jen ukázat, že obě strukturální vlastnosti záření, které vyplývají z Planckovy formule (vlnová a kvantová struktura), by neměly být nahlíženy jako neslučitelné. h J s National Geographic Počátek vlnově částicového dualismu Niels Bohr: Kdyby mě snad Einstein chtěl o realitě kvant vyrozumět telegramem, stejně by musel požít staré dobré vlny. William L. Bragg: V pondělky, středy a pátky vyučuji korpuskulární teorii světla a v úterky, čtvrtky a soboty teorii vlnovou. Definitivní důkaz fotonů až r.1922: Comptonův rozptyl světla (název foton až 1926)

8 Bohrův model atomu 1913: N. Bohr používá kvantum akce k vysvětlení struktury atomu. Z dnešního hlediska jeho model není zcela správný, ale byl to první krok na cestě ke kvantové teorii. Předpoklad kvantování momentu hybnosti elektronu v atomu v násobcích 34 h J s Planckovy konstanty. R mee 2 8 h c 7 1 R m m, n 1,2,3... m n Niels Bohr 1922 Balmer-Rydbergova empirická formule pro spekt.čáry vodíku: R 2 2 m n vodík B.Niece, J.Chem.Educ. 2006, 83, 761

9 Bohrův model atomu 1913: N. Bohr používá kvantum akce k vysvětlení struktury atomu. Z dnešního hlediska jeho model není zcela správný, ale byl to první krok na cestě ke kvantové teorii. Předpoklad kvantování momentu hybnosti elektronu v atomu v násobcích 34 h J s Planckovy konstanty. vysvětlení Niels Bohr 1922 periodické soustavy prvků! Wikipedia

10 Solvayská konference, Brusel, 1927 kvanta elmg.pole: 1900 Max Planck 1905 lbert Einstein stará kvant.teorie: 1913 Niels Bohr vlnová hypotéza: 1924 Louis de Broglie maticová mechanika: 1925 Werner Heisenberg Formální teorie: } vlnová mechanika: 1926 Erwin Schrödinger 1927 John von Neumann pravděpodobnostní interpretace: 1926 Max Born Paul Dirac

11 Dvouštěrbinový experiment elektrony B B B

12 Dvouštěrbinový experiment Skutečné výsledky (1989) B B

13 Dvouštěrbinový experiment Skutečné výsledky (1989) B B

14 Dvouštěrbinový experiment elektrony Principiální rozlišitelnost drah skrze štěrbiny či B (např. v důsledku měření, nebo polarizací či interakcí s prostředím) B měření dráhy B B

15 Dvouštěrbinový experiment elektrony Principiální rozlišitelnost drah skrze štěrbiny či B (např. v důsledku měření, nebo polarizací či interakcí s prostředím) zmizení B interferenčního obrazce rozlišení drah polarizací elektronu bez měření B B

16 Dvouštěrbinový experiment Stránky Filipa Grygara a Patrika Čermáka Mnoho zajímavých informací o Bohrovi, jeho myšlení a době Komiks o interferenčním experimentu P. Korunka

17 Dialog o kvantové mechanice Přerušovaná diskuse Einsteina s Bohrem vedená od počátku 20. let až do 50. let Forma: návštěvy, setkání na konferencích, dopisy, články Nejznámější přímé diskuse na Solvayské konferenci v roce 1927 Nejvlivnější výsledek: Eisteinův-Podolského-Rosenův (EPR) článek o údajné neúplnosti kvantové mechaniky Debata Einsteina s Bohrem v domě Paula Ehrenfesta ( ), listopad 1925 Bohr: obhájce kvantové revoluce a nového přístupu k fyzice a vědě vůbec Einstein: kritik kvantové teorie, zastánce klasického pohledu na fyziku (včetně teorie relativity)

18 Bůh nehází kostkou Neraďte Bohu, co má dělat! Einsteinův dopis Maxi Bornovi : Kvantová teorie je jistě velkolepá, ale vnitřní hlas mi říká, že to ještě není ta pravá věc. Teorie sice říká hodně, nicméně nás nepřibližuje k tajemství Starého pána. V každém případě jsem přesvědčen, že On v kostky nehraje. Buďme opatrní ve svých pozemských (na obyčejném jazyce založených) soudech o povaze Boží prozřetelnosti... Kvantová teorie jako jediná fyzikální teorie obsahuje element absolutní náhody! Např.: na kterém místě se objeví tečka na obrazovce registrující elektrony za dvouštěrbinou? Einstein a Bohr na Solvayské konferenci v Bruselu v r.1930

19 Princip neurčitosti a jak ho (podle Einsteina) obelstít Einsteinův dopis Erwinu Schrödingerovi : Heisenberova Bohrova konejšivá filosofie nebo náboženství? je tak chytře zosnována, že svým věřícím prozatím nabízí příjemné spočinutí na vavřínech, z něhož nejsou schopni se vymanit, dovolme jim tedy odpočívat. však na mě toto náboženství má zatraceně malý vliv. Debata Einsteina s Bohrem v domě Paula Ehrenfesta ( ), listopad 1925

20 Princip neurčitosti a jak ho (podle Einsteina) obelstít Debata Einsteina s Bohrem v domě Paula Ehrenfesta ( ), listopad 1925 x p Funkčnost všech těchto mechanismů vyvrácena Bohrem. 1 4 h Einsteinův návrh ze Solvayské konference 1927: Pohyblivá štěrbina měla umožnit měření dráhy částice bez narušení interferenčních vlastností. E t h 1 4 Einsteinův návrh ze Solvayské konf.1930: Zařízení mající narušovat relaci neurčitosti mezi přesným měřením času a energie

21 Princip neurčitosti Otázka reality Existuje či neexistuje za kvantovým popisem nějaký jednoznačně určený, na pozorování nezávislý objekt??? Debata Einsteina s Bohrem v domě Paula Ehrenfesta ( ), listopad 1925

22 Komplementarita Filosofický rámec vytvořený Bohrem (~1927) pro interpretaci kvantové fyziky a veškerého poznání Debata Einsteina s Bohrem v domě Paula Ehrenfesta ( ), listopad 1925 Pro Bohra je matematický popis druhotný. Skutečné pochopení se děje prostřednictvím obyčejného jazyka. Nicméně uvěznění člověka v jazyce a nutnost ostrého rozlišování mezi objektem a subjektem je příčinou problémů vědeckého popisu přírody, které kvantová mechanika nezpůsobila, ale jen odhalila. Komplementarita pramení z těchto problémů. Komplementární vlastnosti nejsou pro Bohra vzájemně se vylučující, ale vyjadřují různé jazykem zachycené stránky téhož jevu. Tento koncept je potřebný i v jiných disciplínách a obyčejném životě. Příklady: prožívání vs. analýza emocí, požitek z hudby vs. její rozbor, zvažování argumentů vs. rozhodnutí... Bohr kladl důraz na celistvost kvantového jevu : žádný jev není jevem, dokud není zaznamenaným jevem. Odmítal tedy na kontextu nezávislý popis objektů

23 Provázanost a nelokalita Paradox EPR B Vlnová funkce dvojice částic a B je navržena tak, že: měření souřadnice částice určuje souřadnici částice B měření hybnosti částice určuje hybnost částice B Elementy reality: If, without in any way disturbing a system, we can predict with certainty the value of a physical quantity, then there exists an element of physical reality corresponding to this physical quantity. To se ale pro EPR dvojici částic zdá být ve sporu s principem neurčitosti, proto kvantová mechanika musí být neúplná! x p 1 4 h

24 Provázanost a nelokalita Paradox EPR B Elementy reality: If, without in any way disturbing a system, we can predict with certainty the value of a physical quantity, then there exists an provázaný element of physical reality corresponding to this physical quantity. kvantový stav To se ale pro EPR dvojici částic zdá být ve sporu s principem neurčitosti, proto kvantová mechanika musí být neúplná! x p 1 4 h

25 Provázanost a nelokalita E. Schrödinger: Discussion of probability relations between separated systems Math. Proc.of the Cambridge Phil. Soc. 31, 555, October1935 EPR článek nedokázal neúplnost kvantové mechaniky, ale odhalil její podivnost. Využití neobvyklých vlastností provázaných kvantových stavů je dnes jedno z klíčových témat pro vývoj informačních technologií budoucnosti: Kvantová kryptografie Kvantová teleportace Kvantové počítání provázaný kvantový stav Erwin Schrödinger

26 Provázanost a nelokalita EPR článek nedokázal neúplnost kvantové mechaniky, ale odhalil její podivnost. Využití neobvyklých vlastností provázaných kvantových stavů je dnes jedno z klíčových témat pro vývoj informačních technologií budoucnosti: Kvantová kryptografie Kvantová teleportace Kvantové počítání

27 Provázanost a nelokalita National Geographic

28 To nejkrásnější, co můžeme zažít, je záhada. The most beatiful thing we can experience is the mysterious.