Fyzika bez konce a začátku: Logická spirála k nekonečnu

Představte si, že stojíte v laboratoři na konci 19. století. Vzduch voní éterem (tím chemickým, ne fyzikálním) a všude kolem vás jsou mosazné přístroje, skleněné baňky a cívky drátu. Fyzika je téměř dokončená věda. Zbývá jen pár detailů - drobnosti, které brzy vyřešíte. Maxwellovy rovnice triumfálně sjednotily elektřinu a magnetismus, termodynamika funguje jako hodinky a Newton vládne vesmíru železnou rukou. Éter, všudypřítomné médium nesoucí světelné vlny, je tak reálný jako vzduch, který dýcháte. Za dvacet let bude tohle všechno ležet v troskách. A z těch trosek povstane svět tak podivný, že by ho viktoriánští gentlemani považovali za horečnatý sen opilce.

Všechny modely jsou nedokonalé, některé jsou užitečné

George Box kdysi napsal: "Všechny modely jsou špatné, ale některé jsou užitečné." To platí dvojnásob ve fyzice. Každá epocha si myslela, že konečně našla "pravdu" - a každá se mýlila. Nebo možná měla pravdu. Nebo obojí současně.

Triumf vlnové teorie a nutnost éteru

Od Newtona k Youngovi - světlo jako vlna

Isaac Newton prosazoval korpuskulární teorii světla - světlo jsou částice. Ale v roce 1801 Thomas Young provedl epochální experiment: nechal světlo projít dvěma štěrbinami a na stínítku se objevil interferenční obrazec - střídající se světlé a tmavé pruhy. To mohly vytvořit jen vlny, které se zesilují a ruší.

Augustin-Jean Fresnel v letech 1815-1821 matematicky rozpracoval vlnovou teorii a vysvětlil všechny optické jevy - lom, odraz, polarizaci. Když v roce 1818 Siméon Denis Poisson namítl, že Fresnelova teorie absurdně předpovídá světlý bod uprostřed stínu kruhového terče, François Arago experiment provedl - a světlý bod tam byl! Vlnová teorie triumfovala.

Nutnost éteru - médium pro vlny

Ale vlny potřebují médium. Zvuk se šíří vzduchem, vlny na vodě vodou. Čím se šíří světlo prázdným prostorem? Christiaan Huygens už v roce 1678 navrhl "luminiferous aether" - světlonosný éter. Po Youngovi a Fresnelovi se éter stal nutností.

James Clerk Maxwell to v roce 1865 zpečetil. Jeho rovnice sjednotily elektřinu, magnetismus a světlo do elektromagnetických vln. Z rovnic vyplývala rychlost světla:

Ale rychlost vůči čemu? Musí existovat absolutní referenční soustava - éter. Maxwell sám pracoval s éterem jako s mechanickým médiem v celé své "Dynamické teorii elektromagnetického pole".

Éter musel mít paradoxní vlastnosti: - Dokonale tuhý (pro rychlé příčné vlny světla) - Dokonale průchozí (planety se jím pohybují bez odporu) - Všudypřítomný (vyplňuje celý vesmír)

Fyzikové to přijali. Lord Kelvin prohlásil, že éter je jediná substance, o které si můžeme být jisti - tento postoj sdílela většina viktoriánských fyziků, kteří v éteru viděli nutný základ pro pochopení elektromagnetických jevů.

Lorentz: Muž statečně čelící skutečné krizi fyziky

Na konci 19. století bylo vše v dokonalém souladu. Maxwellovy rovnice (1865) sjednotily elektřinu, magnetismus a světlo. Vlnová teorie světla triumfovala. Éter jako nosič elektromagnetických vln byl logickou nutností - vždyť každá vlna potřebuje médium.

Pak přišel rok 1887 a Michelson-Morleyův experiment. Výsledek byl děsivý: žádný éterový vítr. Země se měla pohybovat éterem rychlostí 30 km/s (orbitální rychlost), ale světlo se chovalo, jako by byl éter absolutně nehybný vůči Zemi. Pozdější experimenty dotáhly limit "éterového větru" hluboko pod 1-2 km/s. To nedávalo smysl.

FitzGerald-Lorentzova kontrakce a matematická záchrana (1889-1904)

Hendrik Lorentz čelil skutečné intelektuální krizi. George FitzGerald (1889) a nezávisle Lorentz (1892) navrhli geniální řešení: co když pohyb éterem objekty fyzicky deformuje?

Odvodili kontrakční faktor. Pokud se objekt pohybuje rychlostí ?math-inlinev?math-inline éterem, zkrátí se ve směru pohybu:

kde Lorentzův faktor je:

To přesně vysvětlovalo nulový výsledek experimentu! Podélné rameno interferometru se zkrátí právě tak, aby kompenzovalo rozdíl v časech průchodu světla.

V roce 1895 Lorentz zavedl koncept "místního času" a efekty do prvního řádu v ?math-inlinev/c?math-inline . Teprve v roce 1904 publikoval úplný tvar transformací:

Henri Poincaré je v roce 1905 pojmenoval "Lorentzovy transformace". Všimněte si něčeho pozoruhodného: i čas se transformuje! Lorentz to považoval za matematický trik, ale rovnice už obsahovaly relativitu času. Lorentz nebyl "mechanik, který nepochopil vlastní rovnice" - byl brilliant snažící se udržet konzistenci fyzikálního obrazu světa. Jeho éter nebyl naivní představa, ale nutnost vyplývající z vlnové povahy světla.

Einstein: Muž, jehož fantazie byla ještě divočejší než jeho vlasy

Einstein nikdy nepřestal žasnout. Jeho největší objevy začínaly jednoduchými obrazy v jeho mysli - "Gedankenexperimente", které transformovaly fyziku.

Běh se světlem (1895, 16 let)

Jako teenager si Einstein představoval, že běží vedle světelného paprsku rychlostí světla. Co by viděl? Podle klasické fyziky by měl vidět "zamrzlou" elektromagnetickou vlnu - světlo stojící na místě. Ale Maxwellovy rovnice:

vyžadují, aby se elektromagnetické vlny vždy pohybovaly rychlostí:

Tento paradox ho pronásledoval deset let.

Speciální relativita (1905)

Einstein vyřešil paradox dvěma jednoduchými postuláty: 1. Fyzikální zákony jsou stejné ve všech inerciálních soustavách 2. Rychlost světla je konstantní pro všechny pozorovatele

Z toho vyplynuly Lorentzovy transformace - ale s novou interpretací. Není to mechanická deformace v éteru, ale fundamentální povaha prostoročasu.

Vlak a blesky - relativita současnosti

Pro vysvětlení relativity současnosti si Einstein představil vlak jedoucí velkou rychlostí. Blesky udeří současně do předního a zadního konce vlaku - současně pro pozorovatele na nástupišti. Ale průvodčí uprostřed vlaku, který se pohybuje vstříc jednomu blesku a od druhého utíká, je uvidí v různých časech.

Matematicky: Lorentzova transformace času:

znamená, že události současné v jedné soustavě (?math-inlinet_1 = t_2?math-inline ) nemusí být současné v jiné (?math-inlinet'_1 \neq t'_2?math-inline ).

Hmotnost a energie: E = mc²

Einstein v roce 1905 odvodil nejslavnější rovnici fyziky, ale způsobem, který málokdo zná. Představil si krabici, která vyzáří světlo v opačných směrech:

1. Krabice vyzáří dva fotony s energií ?math-inlineE/2?math-inline každý v opačných směrech 2. Každý foton nese hybnost ?math-inlinep = E/(2c)?math-inline 3. Krabice zůstane v klidu (hybnosti se vyruší) 4. Ale energie krabice klesla o ?math-inlineE?math-inline 5. Z Lorentzových transformací vyplývá, že setrvačná hmotnost musela klesnout o ?math-inline\Delta m = E/c^2?math-inline

Tedy: E = mc²

Tato rovnice NEŘÍKÁ, že hmotu lze jednoduše "přeměnit" na energii jako by to byly dvě různé věci. Říká, že hmotnost a energie jsou dvě strany téže mince - každá klidová hmotnost obsahuje energii, každá energie má ekvivalentní hmotnost. V jaderných reakcích se skutečně část klidové hmotnosti mění na kinetickou energii produktů (a naopak při tvorbě párů částice-antičástice).

Úplná rovnice energie-hybnosti

Einstein později ukázal, že E = mc² je jen speciální případ obecnější rovnice:

Pro částici v klidu (?math-inlinep = 0?math-inline ): ?math-inlineE = mc^2?math-inline Pro foton (?math-inlinem = 0?math-inline ): ?math-inlineE = pc?math-inline Pro rychlou částici: dominuje člen ?math-inlinepc?math-inline

Padající výtah (1907) - princip ekvivalence

Einstein později nazval tuto myšlenku "nejšťastnější myšlenkou svého života":

Představil si člověka v padajícím výtahu. Nemůže rozlišit, jestli padá v gravitačním poli, nebo se vznáší v prázdném vesmíru. Matematicky: v lokálním volně padajícím systému platí speciální relativita.

Světlo v padajícím výtahu (1911)

Představte si paprsek světla letící napříč padajícím výtahem. Pro vnějšího pozorovatele světlo letí přímočaře, ale výtah mezitím zrychlí dolů. Pro člověka ve výtahu se světlo ohne!

Podle principu ekvivalence: gravitace ohýbá světlo. Úhel ohybu pro těleso s hmotností ?math-inlineM?math-inline :

kde ?math-inlineb?math-inline je dopadový parametr (minimální vzdálenost od centra). Pro světlo těsně míjející okraj Slunce (?math-inlineb \approx R_{\odot}?math-inline ) vychází úhel ~1,75″. Einstein v roce 1911 nejprve spočítal poloviční hodnotu (~0,83″), správný výsledek dala až obecná relativita.

Rotující disk (1912)

Einstein si představil obrovský rotující disk. Obvod se zkrátí Lorentzovou kontrakcí, ale poloměr ne (je kolmý k pohybu). Tedy:

Geometrie není eukleidovská! Prostor je zakřivený. To ho dovedlo k myšlence, že gravitace je zakřivení prostoročasu.

Obecná relativita (1915)

Po osmi letech matematického úsilí (s pomocí Marcela Grossmanna a Davida Hilberta) dospěl Einstein k rovnici pole:

Levá strana: zakřivení prostoročasu (geometrie), pravá strana: energie a hybnost (hmota). John Wheeler to shrnul: "Hmota říká prostoru, jak se má křivit. Prostor říká hmotě, jak se má pohybovat."

EPR paradox (1935) a Bohmova reformulace

Původní článek EPR pracuje s polohou a hybností dvou částic; stav je připraven tak, že je ostré ?math-inlinex_A - x_B?math-inline a ?math-inlinep_A + p_B?math-inline . Podle kvantové mechaniky nelze jedné částici současně přiřadit přesnou polohu i hybnost.

EPR uvažuje dva alternativní běhy téhož experimentu: - Zvolíme-li na A měření polohy, umíme s jistotou předpovědět polohu B, aniž bychom B rušili (přijmeme-li lokalitu). - Zvolíme-li na A měření hybnosti, umíme s jistotou předpovědět hybnost B.

Z toho EPR vyvozují kritérium reality: pokud lze výsledek veličiny určit s jistotou bez narušení systému, existuje odpovídající prvek fyzikální reality. Podle nich by tedy B musela mít "připravené" hodnoty obou veličin, a popis pomocí vlnové funkce je neúplný.

Einstein tomu říkal "strašidelné působení na dálku" (*spukhafte Fernwirkung*), později v dopisech Bornovi. Pointa je napětí mezi lokalitou a předem danými hodnotami.

Dnes víme z Bellových nerovností, že lokální skryté proměnné (lokalita + faktorizace + standardní předpoklady) nefungují. Přesto platí bezsignálovost – informaci z A do B nadsvětelně poslat nelze. V kvantové teorii pole to zajišťuje mikrokauzalita: lokální observably v prostorupodobném oddělení komutují.

Bohmova reformulace (1951) používá dvojici spinů v singletu:

Měřením spinu na A okamžitě určíme (předpovíme) výsledek na B. Korelace nejsou vysvětlitelné žádnou lokální společnou příčinou; jsou důsledkem provázání z jedné přípravy.

Bellova nerovnost a její narušení

V roce 1964 John Bell ukázal, že lokální realistické teorie (s lokálními skrytými proměnnými) lze testovat.

Byl nespokojený s tím, jak kvantová mechanika popírala "zdravý rozum" – konkrétně myšlenku, že částice mají určité vlastnosti nezávisle na měření (lokální realismus). V roce 1964 formuloval matematickou nerovnost, která umožňovala experimentálně rozlišit mezi kvantovou mechanikou a teoriemi se skrytými proměnnými, které by zachovávaly lokální realismus, který razil mimo jiné Einstein. Jeho cíl byl jediný: jasně ukázat, že kvantová mechanika je mylná.

Pro takové teorie musí platit:

kde ?math-inlineS = E(a,b) - E(a,b') + E(a',b) + E(a',b')?math-inline je kombinace korelací.

Kvantová mechanika předpovídá maximum:

Jenže jak to někdy chodí, kdo jinému jámu kopá, sám do ní padá. A tak experimenty (Aspect 1982 a další) jasně a neprůstřrelně potvrdily kvantovou předpověď. Příroda porušuje Bellovy nerovnosti, což vylučuje lokální skryté proměnné (při standardních předpokladech). Důležité: "no-signalling" princip zůstává zachován - stále nelze přenášet informaci rychleji než světlo.

Bellovy nerovnosti a jak je pochopit

Co plyne z porušení Bellových nerovností? Mimo jiné prohloubení krize moderní fyziky. Ne v tom, že by přestala být efektivní, ale v tom, že jakoby přestala dávat smysl.

Protože pokud chceme dnes popisovat fyziku, každá teorie musí obětovat alespoň jednu ze tří věcí: lokalitu - měření na jedné částici nemůže okamžitě ovlivnit výsledek měření na vzdálené částici, realismus - fyzikální vlastnosti existují nezávisle na měření anebo svobodnou volbu - experimenty lze nastavit nezávisle na skrytých proměnných.

Dnes převažující interpretace je postavena jednoduše na tom, že stav je nástroj pro výpočet pravděpodobností; výsledek se rodí až měřením; kolaps je přepis naší předpovědi. Bell porušení tak plyne z neslučitelných měření na sdíleném stavu. Ne akce na dálku, ano okamžitá změna popisu (ryze matematicky, tedy není to fyzikální jev), ale bez fyzikálního účinku nadsvětelnou rychlostí. Více se můžete dočíst v blogu přímo na téma Bellova testu.

Bellův test jako „dvojštěrbina pro dva“ - Blogosvět.cz

www.blogosvet.cz

Kvantová fyzika je opředena závojem neurčitosti, téměř magie. Zkusme se ale na ni podívat trochu jinak, přízemněji. Jednou z nejoblíběnějších záhad je strašidelné působení na dálku, které údajně kvantová fyzika přináši. Možná. Ale rozhodně ne nezbytně. Tento článek vám má ukázat, že existují i jiná, mnohem prostší vysvětlení záhad kvantové fyziky, než je strašidelné působení na dálku anebo popření svobodné volby. Představte si, že máte pár rukavic – jednu pošlete do Tokia, druhou do New Yorku. Když v Tokiu otevřou krabici a najdou levou, víte, že v New Yorku musí být pravá. Logické, že? Jenže v kvantovém světě to funguje jinak – a způsobem, který zmátl i Einsteina. Dvě částice mohou být "na stejné vlně" tak dokonale, že vytvářejí vzorce souznění, které klasická fyzika neuměla vysvětlit. Není to ale žádná telepatie ani cestování nadsvětelnou rychlostí – je to jen hezký pohled na hlubší podstatu reality a omezení našich lidských představ. Bellův test, který tuto záhadu ukázal, tak není jen abstraktní fyzika. Je to příběh o tom, jak příroda funguje na nejzákladnější úrovni – a překvapivě jen dokazuje, že ani kvantová fyzika není žádná magie a vesmír je nejkrásnější právě ve své jednoduchosti a matematické přesnosti. Ano, nelze nevidět, že nejčistším Božím jazykem přírody je skutečně matematika.

Síla vizuální představivosti

Einstein nebyl jen matematik - byl vizionář v pravém smyslu slova. Viděl fyziku v obrazech: - Světelné paprsky jako vlaky fotonů - Prostoročas jako pružnou látku - Gravitaci jako prohlubeň v trampolíně

Když se ho ptali, jak přemýšlí, odpověděl:

Tato schopnost "vidět" abstraktní koncepty byla jeho největší silou. Ale možná také limitem - nemohl přijmout kvantovou mechaniku právě proto, že si ji nedokázal vizuálně představit.

Einsteinův odkaz není jen v rovnicích, ale v tom, že nás učí žasnout a představovat si. V době, kdy se fyzika stává stále abstraktnější, možná potřebujeme více Einsteinovy dětské zvědavosti a schopnosti vidět složité věci v jednoduchých obrazech.

Kvantová revoluce: když skutečnost předčila představivost

Kvantová mechanika vznikla z rozporu mezi teorií a experimentem. Max Planck v roce 1900 zavedl kvantování energie jako matematický trik pro vysvětlení záření černého tělesa. Einstein v roce 1905 vzal kvanta vážně a vysvětlil fotoelektrický jev. Bohr v roce 1913 kvantoval orbity elektronů. Pak přišla lavina.

De Broglie v roce 1924 navrhl, že částice jsou také vlny. Heisenberg v roce 1925 vytvořil maticovou mechaniku. Schrödinger v roce 1926 napsal svou vlnovou rovnici. Born téhož roku interpretoval vlnovou funkci jako pravděpodobnost. Heisenberg v roce 1927 formuloval princip neurčitosti.

Během pouhých 27 let (1900-1927) se zrodila teorie tak podivná, že ji dodnes nikdo pořádně nechápe, ale tak úspěšná, že na ní stojí veškerá moderní technologie.

Historická ironie - když géniové odmítají vlastní objevy

Newton: "Hypotézy netvořím"

Isaac Newton slavně prohlásil "Hypotheses non fingo" (netvořím hypotézy) ve svých Principiích. Ironicky, jeho gravitace působící okamžitě na libovolnou vzdálenost byla nejodvážnější hypotézou v dějinách fyziky. Sám Newton byl z této "strašidelné akce na dálku" znepokojený a napsal:

Strávil roky hledáním mechanického vysvětlení gravitace - éterových vírů, tlaku částic - ale marně. Jeho následovníci prostě přijali matematiku a přestali se ptát "jak to funguje".

Mach: Atomová slepota

Ernst Mach, jehož princip inspiroval Einsteina k obecné relativitě, do konce života (1916) odmítal existenci atomů. Považoval je za "metafyzickou spekulaci" a trval na tom, že věda má popisovat pouze to, co lze přímo pozorovat. Ironicky, Einstein už v roce 1905 - jedenáct let před Machovou smrtí - teoreticky vysvětlil Brownův pohyb jako důsledek nárazů molekul, čímž poskytl silný důkaz pro atomární strukturu hmoty.

Einstein: Otec kvantové teorie, který ji zavrhoval

Einstein položil základy kvantové mechaniky: - 1905: Fotoelektrický jev - světlo jsou částice (fotony) - 1916: Stimulovaná emise - spontánní kvantové přeskoky s přesnou statistikou - 1924: Podpora Boseho - kvantová statistika

Každý z těchto objevů obsahoval statistické chování, které Einstein interpretoval jako neúplnost našeho popisu. Přesto Einstein tvrdohlavě trval na tom, že "Bůh nehraje v kostky". Ale pozor - Einstein neodmítal kvantovou mechaniku jako takovou. Odmítal její kodaňskou interpretaci, která tvrdí, že statistické předpovědi jsou vše, co můžeme o přírodě vědět.

A má Einstein definitivně nepravdu? Nevíme. Statistické chování může být: - Důsledek neznalosti hlubší deterministické vrstvy - Emergentní vlastnost komplexních systémů - Fundamentální limit našeho poznání (ne nutně přírody samé)

Teorie jako de Broglie-Bohm nebo Many Worlds jsou plně deterministické a dávají stejné předpovědi.

Schrödinger: Stvořitel, který litoval

Erwin Schrödinger vytvořil základní rovnici kvantové mechaniky (1926):

O deset let později prohlásil:

Jeho slavná kočka nebyla pokusem vysvětlit kvantovou mechaniku, ale ukázat její absurdnost. Schrödinger věřil, že vlnová funkce popisuje skutečnou fyzikální vlnu, ne pravděpodobnost. Do konce života bojoval proti kodaňské interpretaci.

Bohr: "Neexistuje žádný kvantový svět"

Niels Bohr, architekt kodaňské interpretace, měl paradoxní pohled na kvantovou realitu. Podle Aage Petersena (1963), který dlouho s Bohrem spolupracoval, Bohr často říkal:

Přitom dnes máme kvantové počítače, které evidentně "něco" dělají na kvantové úrovni. Bohr by možná namítl, že kvantový počítač je makroskopické zařízení produkující klasické výsledky. Ale kde přesně je hranice?

Heisenberg: Princip neurčitosti - fundamentální, nebo epistemický?

Werner Heisenberg formuloval svůj slavný princip:

Kodaňská interpretace říká: Je to fundamentální limit reality. Ale jiné interpretace tvrdí: Je to jen limit našeho poznání.

Co víme jistě: Nikdy nebudeme schopni současně přesně změřit polohu a hybnost.

Co nevíme: Jestli částice tyto hodnoty "má" a my je jen nemůžeme zjistit, nebo je "nemá" vůbec.

Heisenberg sám se k tomu vyjádřil záhadně:

Náhodnost, neurčitost, statistika - co vlastně víme?

Kvantová mechanika dává statistické předpovědi, to je experimentální fakt. Ale co to znamená pro povahu reality? Kodaňská interpretace tvrdí, že statistika je vše, co můžeme vědět - před měřením částice prostě "nemá" určitou polohu. Jenže existují stejně platné alternativy. V teorii de Broglie-Bohm má částice vždy přesnou polohu, jen ji neznáme, a vlnová funkce ji deterministicky vede. V interpretaci mnoha světů se všechny možnosti realizují v paralelních větvích reality, a statistika vzniká z našeho nutně omezeného subjektivního pohledu. QBism jde ještě dál a tvrdí, že kvantové pravděpodobnosti jsou čistě subjektivní, jako sázky, ne objektivní vlastnosti přírody.

Heisenbergova neurčitost ?math-inline\Delta x \cdot \Delta p \geq \hbar/2?math-inline je matematický fakt, ale jeho interpretace zůstává otevřená. Může to být fundamentální limit reality, jak tvrdí Kodaň. Nebo jen limit našeho poznání, jak navrhují teorie se skrytými proměnnými. V některých spekulativních teoriích s diskrétní strukturou prostoru je to přirozený důsledek - nemůžete měřit přesněji než je základní "zrno" reality. Nebo je to emergentní vlastnost procesu měření, kdy interakce s měřícím přístrojem nutně naruší systém.

Co tedy víme s jistotou? Nemůžeme současně přesně změřit komplementární veličiny - to potvrzují všechny experimenty. Kvantové předpovědi jsou nesporně statistické. Bellovy nerovnosti jsou experimentálně porušeny, což vylučuje lokální skryté proměnné. Ale co nevíme, je stejně důležité. Nevíme, jestli "náhodnost" existuje fundamentálně, nebo je to jen naše neznalost hlubších vrstev reality. Nevíme, jestli částice mají určité hodnoty před měřením, nebo je měření teprve vytváří. A především nevíme, jestli pod kvantovou statistikou neleží hlubší deterministická vrstva, kterou ještě neumíme popsat.

Einstein možná neměl pravdu v konkrétních detailech své kritiky, ale jeho základní intuice - že za statistickým popisem je hlubší, srozumitelnější realita - nebyla nikdy definitivně vyvrácena. Byla jen odsunuta stranou, protože "shut up and calculate" funguje pro praktické výpočty. Ale fungování neznamená pochopení.

Poučení z ironie

Historie fyziky je plná géniů, kteří udělali revoluční objevy a pak strávili roky bojem proti jejich důsledkům. Možná v tom odmítání viděli něco, co jejich následovníci přehlédli. Největší ironií může být, že všichni měli částečně pravdu, jen na různých úrovních popisu.

Lorentz se svým éterem možná správně tušil, že prostor má strukturu - dnes mluvíme o kvantovém poli, diskrétní geometrii smyček, nebo emergentním prostoročasu. Jeho mechanický éter byl možná jen příliš konkrétní představa správné abstraktní intuice. Newton potřeboval zprostředkovatele pro gravitaci a byl z okamžité akce na dálku znepokojen - dnes hledáme gravitony nebo popisujeme gravitaci jako zakřivení prostoročasu, což jsou jiné formy "zprostředkování". Mach odmítal atomy jako metafyziku - dnes víme, že atomy skutečně nejsou fundamentální, skládají se z kvarků držených pohromadě gluony, a ty možná také nejsou konečná úroveň.

Einstein věřil v hlubší deterministickou vrstvu pod kvantovou statistikou - teorie jako de Broglie-Bohm nebo superdeterminismus ukazují, že to není vyloučené. Schrödinger trval na tom, že vlnová funkce je skutečná fyzikální vlna - v některých interpretacích má pravdu. Bohr tvrdil, že kvantový svět neexistuje nezávisle na měření - možná měl pravdu v tom, že kvantový popis je emergentní z něčeho fundamentálnějšího.

Moderní fyzika: Rovnice bez pochopení

Standardní model částicové fyziky - současný vrchol našeho poznání - má 19 volných parametrů ve verzi bez hmotností neutrin (s masivními neutriny a jejich mísením se počet rozšiřuje na ~26). Nemůžeme je odvodit z hlubších principů, musíme je experimentálně změřit.

Model funguje s neuvěřitelnou přesností - například shoda teorie a měření pro g-faktor (magnetický moment) elektronu sahá k ~12 číslicím, což je jedna z nejpřesnějších shod teorie a experimentu v historii vědy. Ale stále nevíme: - Proč právě tyto parametry? - Proč právě tyto symetrie? - Co znamená "virtuální částice"?

Standardní model se samozřejmě vyvíjel desetiletí - od QED přes elektroslabé sjednocení po QCD. A bude se vyvíjet dál. Bylo by naivní myslet si, že máme "finální teorii". Historie nás učí, že každá generace fyziků si myslela, že je těsně před konečným pochopením - a vždy se mýlila.

Současné směry jako teorie strun (která potřebuje 10 nebo 11 dimenzí), M-teorie (s 10^500 možnými vesmíry), nebo AdS/CFT korespondence jsou matematicky sofistikované, ale intuitivně nepochopitelné.

Matematika funguje. Intuitivní pochopení: minimální.

Tři možné pohledy na historii fyziky

Jak vlastně rozumět vývoji fyziky? Existuje progresivní narativ, podle kterého se postupně blížíme k "pravdě" - každá nová teorie je lepší aproximace reality než ta předchozí. Newton byl dobrý, Einstein lepší, kvantová teorie pole ještě lepší. Jednou najdeme finální teorii všeho. Tento pohled má své kouzlo, ale ignoruje fakt, že "lepší" často znamená jen "funguje pro více případů", ne nutně "blíže pravdě".

Instrumentalistický pohled je pragmatičtější - teorie jsou jen nástroje pro předpovědi. Neptáme se, jestli jsou "pravdivé", ale jestli fungují. Standardní model předpovídá výsledky experimentů na 12 desetinných míst? Výborně, víc nepotřebujeme. "Pravda" je v tomto pohledu nesmyslný koncept - máme jen modely, které fungují lépe nebo hůře pro různé situace.

Nejzajímavější je možná cyklický či spirální model historie fyziky. Vracíme se ke starým ideám, ale na vyšší úrovni pochopení. Éter se stal prázdným prostorem, který se stal kvantovým polem, které se možná stane diskrétní geometrií. Částice se staly vlnami, pak částicemi-vlnami, pak strunami, a možná se opět stanou geometrií. Není to lineární pokrok, ale spirála - procházíme stejnými tématy s hlubším pochopením.

Co když vlastně nikdo neměl "pravdu" v absolutním smyslu? Co když Lorentzův mechanický éter a Einsteinův zakřivený prostoročas jsou jen dva různé jazyky popisující tutéž realitu? Jako když stejnou krajinu popíšete v kartézských souřadnicích nebo v polárních - vypadá to úplně jinak, ale je to tatáž krajina. Co když deterministické skryté proměnné skutečně existují, jen ne jako lokální vlastnosti částic, jak si představoval Einstein, ale jako nelokální struktura reality? Co když kvantová "podivnost" není fundamentální vlastnost přírody, ale artefakt našeho nutně omezeného makroskopického pohledu - jako když se díváte na hologram ze špatného úhlu a vidíte jen chaos?

Éter: Příběh, který nekončí

Historie éteru je fascinující spirála vývoje fyzikálního myšlení. V 19. století byl éter naprostou nutností - mechanické médium pro elektromagnetické vlny. Einstein v roce 1905 éter "zrušil" jako zbytečný koncept. Jenže kvantová teorie pole přinesla nový druh "éteru" - vakuum plné virtuálních částic a kvantových fluktuací. Moderní teorie jako smyčková kvantová gravitace navrhují, že prostor má diskrétní strukturu na Planckově škále - jiný druh "éteru" než mechanický, ale stále struktura vyplňující prostor. (Tato linie "éter → kvantové pole → diskrétní struktura" je jedna z možných interpretací vývoje fyzikálních konceptů, ne jediný konsenzuální pohled.)

Možná Michelson a Morley nehledali špatnou věc, jen ji hledali špatným způsobem. Čekali mechanický vítr v mechanickém médiu. Skutečný "éter" - ať už je to kvantové pole, diskrétní geometrie, nebo emergentní prostoročas - se neprojevuje jako vítr, protože my sami jsme jeho součástí. Je to jako když ryba hledá vodu - je v ní ponořená tak dokonale, že ji nemůže detekovat.

Einstein "zrušil" éter, ale jeho vlastní obecná relativita dala prostoru dynamické vlastnosti - může se křivit, vlnit, nést energii. To není pasivní prázdnota, to je aktivní médium. Jen mu neříkáme éter, protože to slovo nese historickou zátěž mechanické představy.

Kruh se uzavírá

Od Lorentzova mechanického éteru přes Einsteinovu geometrii prostoročasu ke kvantovému poli a možná zpět k diskrétní struktuře reality - fyzika nepostupuje lineárně, ale ve spirále. Vracíme se ke starým otázkám s novým pochopením. "Vyvrácené" ideje se často vrací v nové, sofistikovanější formě.

Ti, kdo odmítali důsledky vlastních objevů - Newton svou akci na dálku, Einstein kvantovou neurčitost, Schrödinger kodaňskou interpretaci - možná viděli hlouběji než jejich následovníci. Možná intuitivně cítili, že jejich teorie, byť matematicky správné, nejsou konečným popisem reality.

Současná fyzika má fungující matematiku, ale minimální intuitivní pochopení. Standardní model s 19 volnými parametry funguje na 12 desetinných míst, ale nikdo neví proč. Teorie strun operuje v 11 dimenzích, které si nikdo nedokáže představit. Kvantová teorie pole počítá s virtuálními částicemi, o kterých nevíme, co vlastně jsou.

Možná největší lekcí z historie fyziky je, že každá generace si myslela, že je krok od finálního pochopení. Lord Kelvin v roce 1900 prohlásil, že fyzice zbývá vyřešit jen "dva malé obláčky" - právě ty vedly k relativitě a kvantové mechanice. Dnes máme vlastní "obláčky" - temnou hmotu, temnou energii, kvantovou gravitaci.

Fyzika 21. století možná nebude o hledání jediné "správné" teorie, ale o pochopení, proč různé zdánlivě neslučitelné popisy - mechanický éter, geometrický prostoročas, kvantové pole, diskrétní struktura - fungují v různých kontextech. Možná jsou to jen různé jazyky popisující tutéž hlubší realitu, kterou zatím neumíme uchopit.

Jak řekl Niels Bohr: "Opakem správného tvrzení je špatné tvrzení. Ale opakem hluboké pravdy může být jiná hluboká pravda."

Dodatek: Hlasy o éteru - století hledání neviditelného

Co je éter?

Éter (luminiferous aether) je hypotetické médium vyplňující celý vesmír, které umožňuje šíření světelných vln. Má mít tyto vlastnosti: dokonalou tuhost (pro přenos příčných vln světla rychlostí 300 000 km/s), dokonalou průchoznost (planety jím procházejí bez odporu), všudypřítomnost, neviditelnost a nulovou hmotnost, přesto mechanické vlastnosti nutné pro přenos vln.

Vědci o éteru v průběhu času

James Clerk Maxwell (1878, Encyclopædia Britannica) Éter je médium schopné přenášet energii; musí mít pružnost a konečnou hustotu.

Lord Kelvin (1884, Wave Theory of Light) "Luminiferózní éter je jediná substance, o níž si v dynamice můžeme být jisti."

Heinrich Hertz (1890, O vztazích mezi světlem a elektřinou) "Odejměte světu elektřinu a světlo zmizí; odejměte éter a elektrické a magnetické působení už neprojdou prostorem."

Heinrich Hertz (1894, Principy mechaniky) "Nemohu se zbavit pocitu, že tyto matematické vzorce mají nezávislou existenci a vlastní inteligenci, že jsou moudřejší než my."

Henri Poincaré (1902, Věda a hypotéza) Éter je užitečná hypotéza, ale "jednoho dne bude možná odložen jako zbytečný."

Lord Rayleigh (1902) Testuje dvojlom při pohybu vůči éteru - výsledek negativní. Poukazuje na vzájemně neslučitelné požadavky různých jevů na vlastnosti éteru.

Albert Michelson (1903, Light Waves and Their Uses) "Je-li nějaký relativní pohyb Země vůči éteru, musí být malý." Navzdory negativním výsledkům svých experimentů považuje éter za nejzajímavější téma přírodní filozofie.

Oliver Lodge (1909, The Ether of Space) "Vždy musí existovat spojovací médium; skutečně prázdný prostor nemůže přenášet přitažlivost."

Albert Einstein (1920, Leidenská přednáška) "Podle obecné teorie relativity je prostor nadán fyzikálními kvalitami; v tomto smyslu tedy éter existuje... Prostor bez éteru je nemyslitelný." (Einstein mluví o vlastnostech prostoročasu, ne o mechanickém éteru 19. století.)

Paul Dirac (1951, Nature) "S novou teorií elektrodynamiky jsme spíše nuceni mít éter." (Dirac navrhuje relativistickou verzi éteru v rámci alternativní elektrodynamiky.)