Cestující metra jako kvantové vakuum  
Kvantová mechanika je pro většinu lidí nepochopitelná tajemná sféra. Přitom se dá pochopit celkem lehce. I v našem běžném životě můžeme pozorovat jevy, které snadno chápeme, a přesto jsou názornou metaforou kvantového chování.

Jako prostředek pochopení jednoho z efektů kvantové mechaniky nám poslouží cestující v metru. Musíme ale uvažovat metro v "bordelářských" státech, jako je třeba Belgie nebo Francie. Nepomůže nám pražské metro, které v podstatě dodržuje svůj pravidelný jízdní řád a udržuje tak vlaky ve zhruba stejných časových intervalech.


Ale v městech, kde se na nějakou tu minutu nehledí, zjistíte, že vlaky, které se ocitly blíže k sobě, než by podle jízdního řádu měly, jsou dále "přitahovány" jakousi zvláštní "silou", neboť mají tendenci se stále k sobě více blížit. Čím je to způsobeno? Představme si dva za sebou jedoucí vlaky metra. Když 2. vlak jede poměrně blízko 1. vlaku před ním, nastupuje do této 2. soupravy méně pasažérů, protože 1. metro jí cestující "vyžere".


Do 1. metra nastupuje více lidí, ale tím pádem z něj později i více lidí vystupuje, takže celkový pobyt 1. vlaku ve stanici je delší než u 2. vlaku, protože 1. souprava musí čekat na nástup a výstup více pasažérů. Na 2. vlak už mnoho pasažérů nezbude, nástup a výstup je tedy rychlejší, a proto 2. vlak odjíždí o něco dříve a přibližuje se k prvnímu.


A co to má společného s kvantovou mechanikou? Kupodivu hodně. V kvantovém vakuu, tedy v úplně prázdném prostoru, se dá pozorovat tzv. Casimirův jev. Ten spočívá v tom, že se ve vakuu začnou ještě více přibližovat dvě desky, které jsou blízko u sebe. Jsou přitahovány podobně jako ony dva vlaky v metru. Podívejte se na obrázek Casimirova efektu z Wikipedie:

 

 

 

Vysvětlení? Vakuum není úplné prázdno, ale vznikají v něm tzv. virtuální částice, které existují tak kraťoučce, že snad ani neexistují. Nemají pořádné vlastnosti pořádné částice a hned zase zmizí. Nicméně protože jich je nutně mezi blízko položenými deskami méně než vně desek, neboť vakuum je plné těchto virtuálních částic, tlačí desky k sobě.


Tyto virtuální částice tedy "nastupují do existence" a "vystupují z existence" jako pasažéři do a z vlaku metra, a když jich nastupuje a vystupuje více než jinde, vytváří jejich větší množství tlak, který metro nebo desku někam tlačí. V případě metra tlačí taková "síla" proti pohybu 1. vlaku, tedy tento vlak vlastně brzdí. Anebo si můžeme představit malý počet nastupujících cestujících do 2. soupravy jako sílu, která 2. vlak urychluje. Čím blíže soupravy jsou, tím se tato síla zvětšuje. Nebýt bezpečnostních opatření v metru, vlaky by se nakonec srazily.


Rozdíl mezi metrem a kvantovým vakuem je ten, že v případě metra se celý systém pohybuje vůči cestujícím (na peróně), kdežto v případě vakua jsou desky v "klidu" (nebudeme si chápání komplikovat teorií relativity, která by tento klid zpochybnila). Ale jinak jde o stejný "podtlak" mezi dvěma objekty. Je to v obou případech efekt vakua, buď efekt vakua cestujících, tedy efekt jejich malého počtu, nebo efekt vakua, tedy malého počtu virtuálních částic (tedy jakéhosi vakua virtuálních částic ve vakuu reálných částic).


Ve fyzice nejednou existuje několik odlišných způsobů výkladu nějakého jevu, které jsou oba správné. Tady máme štěstí, že i další výklad je také velmi názorný. Tak si ho ukážeme. Je na videu níže.

 

( Čas:  2:30 )

 

Místo částic (nebo cestujících) je tato názorná analogie založena na vlnách. Prostě v "rozbouřené" kapalině je malý prostor mezi deskami a ten nedovoluje vznik velkých vln (vln dlouhých, tedy s velkou vlnovou délkou), což způsobuje, že vnější vlny jsou silnější. Krátkých vln vzniká všude stejně, jen ty dlouhé jsou vně desek jaksi navíc.


Snad se nám tedy jedna tajemnost kvantové mechaniky ozřejmila. Tímto názorným způsobem si postupně objasníme všechny tajemné efekty kvantové mechaniky. Teď se ještě jen dopustíme likvidace další kvantové tajemnosti. Virtuální částice jsou nejednou veřejností chápány jako jakési nereálné částice ze záhrobí. Všimněme si ale, že tyto "nereálné" částice mají v Casimirově jevu zcela reálný efekt (stejně jako mají reálný efekt virtuální částice při interakcích (reálných) elementárních částic podle Feynmanových diagramů). Má-li ale něco reálné důsledky, pak je to reálné. Jde tedy pořád o reálné částice, které ale mají podivné vlastnosti, třeba takové, že existují nepředstavitelně krátce.


 

Poznámka:  Díky za objevení úžasného video simulujícího Casimirův jev patří Angelovi Papadopoulosovi.

Autor: Jan Fikáček
Datum: 10.05.2017
Tisk článku

Žízeň - Nesbo Jo
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 339 Kč
Žízeň
Nesbo Jo
Související články:

Lokální realismus zemřel. Ať žijí kvantové nelokální korelace!     Autor: Pavel Brož (01.11.2015)
Kvantové podivnosti: Na rotující nanočástice působí Casimirova síla     Autor: Stanislav Mihulka (11.04.2017)



Diskuze:

o co jde?

Zdeněk Syk,2017-05-15 18:23:45

možná to někomu přišlo složitější než to muselo být, ale to jen z pohledu toho, kdo už věděl.
já nevěděl a pochopil, o to přeci v článku šlo. ne že by to nešlo i jinak, ale "po lopatě" se to prostě chápe lépe. alespoň mě jako neznalci odborných výrazů a pod. v této tématice.

za podobné články jsem vděčný.
díky

Odpovědět

Nevím

Antonín Vašek,2017-05-11 22:05:16

Osobně mi nepřijde metro s cestujícími jako vhodně zvolená analogie k tomuto jevu. Už jen věta: „Nicméně protože jich je nutně mezi blízko položenými deskami méně než vně desek, neboť vakuum je plné těchto virtuálních částic, tlačí desky k sobě.“ nedává sama o sobě žádný smysl. Otázka zní: proč je zde méně virtuálních fotonů (chcete-li virtuálních částic)? Odpověď: Protože zde nemůžou vzniknout ty virtuální fotony, které mají větší vlnovou délku, než je vzdálenost mezi deskami. Ve vnějších stranách jich vzniká celé spektrum, protože nejsou prostorově závislé, tedy je jich víc. A právě proto při narážení do desky, dodávají větší energii než virtuální fotony mezi deskami, tzn. desky se začnou „přitahovat“. Jev je sám o sobě vcelku lehce pochopitelný, pokud uvažujeme o „skutečných virtuálních částicích“ :D Už hůře, ne-li zcela, pochopitelné jsou samotné virtuální částice, vakuum a kvantová fyzika. :D Proto naprosto nechápu, proč je zde zamícháno všechno dohromady. A vcelku mě pobavil výrok: „když pomineme teorii relativity“…. :D Ono by možná bylo rozumnější hned ze začátku napsat, že kvantová fyzika a teorie relativity nejsou samy o sobě moc dobré kamarádky. Zrovna v tomto případě by jejich propojení bylo velice zajímavé… :D sarkasmus!

Odpovědět


Re: Nevím

Kamil Kubů,2017-05-12 09:23:08

Mě spíše zajímalo, co je v této analogii oním bezpečnostním opatřením ("Nebýt bezpečnostních opatření v metru, vlaky by se nakonec srazily."), které zabrání tomu, aby ty dvě desky do sebe nenarazily, poháněny silou výbuchu atomové bomby na svých odvrácených stranách.:D Zřejmě to bude tím, že vzoreček pro výpočet Casimirovi síly narychlo vyčtený z Wikipedie, obsahující vzdálenost desek ve jmenovateli a navíc ve čtvrté mocnině, platí pro "for idealized, perfectly conducting plates", což je matroš, který v železářství U Rotta opravdu běžně nemají :D

Je to bohužel vlastnost valné většiny popularizačních článků o QM, a možná celé QM jako takové, že se snaží sdělit nesdělitelné pomocí analogií, které k vlastním vnitřním problémům QM teorie přidají jenom další pochyby, aniž by se jim podařilo vysvětlit to, co je normálně uvažujícím lidem na QM tak podezřelé.

Odpovědět


Re: Nevím

Jan Fikacek,2017-05-13 08:59:00

No, je to jen "výuková" analogie. :-)

Úplně jsem znejistěl s tím, že mezi deskami je menší počet virtuálních částic a řek jsem si, že jsem napsal blbost. Ale po nějakém přemýšlení, jsem se k tomu tvrzení vrátil. Snad je to OK. Bližší analýza někoho, kdo tomu rozumí líp než já, by se mi ale líbila. :-)

Jinak kvantovka nemá problém s relativitou, tedy se speciální. Ta je integrovanou součástí QED a QCD. Má problém jen s obecnou relativitou. Ale na této úrovni zjednodušení jsem se chtěl vyhnout i speciální relativitě.

Odpovědět

Vyžadují však velmi dobrou el. vodivost, aby desky odrážely či stínily vlny

Josef Hrncirik,2017-05-11 15:20:29

a navíc asi musí něco tvrdit o prostorové a časové hustotě možnosti tvorby nových vln.
Může být vlna kratší než 1 periodu?

Odpovědět


Re: Vyžadují však velmi dobrou el. vodivost, aby desky odrážely či stínily vlny

Karel Rabl,2017-05-11 18:25:10

No vlny nemusí být nutně elektromagnetické mohou být třeba zvukové, či gravitační.A vlny kratší než 1 perioda má třeba usměrňovač.

Odpovědět


Re: Vyžadují však velmi dobrou el. vodivost, aby desky odrážely či stínily vlny

Milan Krnic,2017-05-11 18:40:53

Já bych to neřešil, vždyť jde o metaforou kvantového chování.
Děkuji panu Fikáčkovi za článek!

Odpovědět

Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Karel Rabl,2017-05-11 13:21:31

v pohybu v prostoru (jinak by nevznikly vlny) a ten relativní(je jedno jestli se pohybují částice nebo my) "pohyb" je tím rychlejší čím jsou "desky" menší.Takže buď existuje "éthér" tak jak nám ho prezentovali vědci, nebo k čemu se přikláním já, že se ve 4 rozměrném prostoru pohybujeme téměř rychlostí světla, (energie se promění v hmotu) a jediné co nás (hmotu) v prostoru (vytvořeném hmotou) "brzdí" a vytváří jsou ty vlny.A možná je délka vlny omezená, takže je omezený i prostor a celé se to jeví zdánlivě jako "tmavá hmota"(díry v prostoru) a (anti gravitace způsobuje stejný čočkový efekt jako gravitace) a okraje prostoru (anti gravitace) se mylně zaměňují za "temnou energií", která odpuzuje galaxie.To si myslím já laik.

Odpovědět


Re: Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Karel Rabl,2017-05-11 13:25:43

Pardon tím ethérem jsem myslel tak jak nám ho prezentovali vědci 19 století, později byl "vyvrácen".

Odpovědět


Re: Re: Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Pavel A1,2017-05-11 19:29:41

Ethér nebyl "vyvrácen", ten byl prostě vyvrácen. Teorie ethéru udělala několik předpovědí a ani jedna z nich se nepotvrdila. Tedy je to teorie špatná. Tečka.

Když čtu podobné příspěvky, tak si vždy vzpomenu na Feynmanovu přednášku, kde říká, že jsou tři důvody, proč by mu posluchači nemuseli rozumět. První důvod je, že špatně artikuluje. To je jeho problém a musí se pokusit lépe vyslovovat. Druhý důvod je, že bude používat příliš složitý jazyk. Pak je také na něm, aby použil jazyk jednodušší. A třetí důvod je, že se posluchači nelíbí, co říká. To je pak ale problém posluchače. On vykládá zákony přírody tak, jak platí, a pokud se to někomu nelíbí, tak mu nezbývá, než se odstěhovat do Vesmíru, kde platí přírodní zákony, které se mu líbí.

Ethér prostě není. A pokud se vám to nelíbí, tak to není problém fyziky ani fyziků, ale čistě váš osobní.

Teorie, které předpokládají neexistenci ethéru jsou potvrzeny milióny pokusů. Pokaždé, když zjistíte svou polohu pomocí GPS, tak ověříte, že ethér neexistuje. Už jen to, že jste napsal příspěvek do této diskuse potvrzuje, že ethér neexistuje, protože kdyby existoval, tak nebudou fungovat dnešní počítače, telekomunikace, ...

Odpovědět


Re: Re: Re: Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Jakub Beneš,2017-05-11 20:46:01

a když řekneme, že éther jsou virtuální částice ve vákuu, tak byl taky vyvrácen? tady v článku zrovna tvrdí že byl potvrzen :) vyvrácen byl éther 19 století s jeho parametry. ale ta myšlenka, že prázdný prostor obsahuje něco co má vliv na hmotu (tedy obecně napsaná teorie étheru) byla potvrzena.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Pavel A1,2017-05-12 00:30:59

Éther byl v 19 století definován jako prostředí, jehož vlněním se přenáší elektromagnetické vlny. Z této definice vyplývaly jisté předpovědi, které byly experimentálně vyvráceny. Vy tvrdíte, že ta teorie je správná, když se změní definice. Jenže to už je jiná teorie. To bych stejně dobře mohl definovat, že éther je to hnědé, co leze z mého konečníku a posléze existenci étheru potvrdit a udělat z toho závěr, že se v tom 19. století nemýlili.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Takže si myslím že jsme vůči těm "časticím",

Karel Rabl,2017-05-12 13:50:42

Právě, že jsem chtěl poukázat na "novou teorii" nebo něco "jiného" (moje teorie), ale v každém případě onou vodivostí nejen elektromagnetických vln v prostoru, který podle Einsteina vytváří hmota je nejen hmota, ale zdá se i prostor, který ji obklopuje má i uvnitř vesmíru určité hranice.Já bych to však etherem nenazval.Dalo by se to přirovnat k mnohem řidší hmotě (nebo hustší s dutinami uprostřed černých děr, či sluncí) záleží na "úhlu pohledu".

Odpovědět

Casimirův jev

Fanda Sin,2017-05-11 11:26:47

Někde jsem četl, že závisí, jak jsou daleko desky od sebe, na tom, zda se přitahují, nebo odpuzují.
V článku je uvedeno, že se vždy přibližují. Jak to tedy je?

Ta analogie je zavádějící a vlastně nic nevysvětluje.
Nebo alespoň já jsem z ní nepochopil co má společného zrychlení druhého vlaku z důvodu nenastupování / nevystupování se silou působící na 2 desky, kde vznikají a zanikají virtuální částice. (dle mého chápání je tento jev způsoben spíš vlnovým charakterem částice, ale rád bych pochopil více a rád se nechám poučit)

Jen na okraj, kvantová mechanika se lehce pochopit nedá. (alespoň dle mého a například podle pana Feynmana https://www.youtube.com/watch?v=SczWCK08e9k tomu nerozumí skoro nikdo ;) )

Odpovědět


Re: Casimirův jev

Jiří Svejkovský,2017-05-11 13:00:17

Budou-li desky k sobě blíže, než je vlnová délka vlnění, budou se přitahovat.

Odpovědět


Re: Re: Casimirův jev

Fanda Sin,2017-05-11 13:26:53

Tak jsem si to zapamatoval správně, děkuji.

Odpovědět


Re: Re: Re: Casimirův jev

Fanda Sin,2017-05-11 14:04:34

Teď mi došlo, že jste mi vlastně mou domněnku nepotvrdil, potvrdil jste pouze to co jsem už z článku věděl.

Pokud jsou tedy desky od sebe dále než je vlnová délka, budou se odpuzovat?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Casimirův jev

Jakub Beneš,2017-05-11 20:41:55

pokud jsou dále, tak by na sebe neměly mít žádný vliv (kromě gravitačního :)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Casimirův jev

Fanda Sin,2017-05-12 10:48:59

Děkuji. Teď je mi to už jasné.

Odpovědět


Re: Casimirův jev

Jan Fikacek,2017-05-13 09:11:37

Asi bych byl opatrnější s tou nepochopitelností kvantovky. :-)

https://www.youtube.com/watch?v=WIyTZDHuarQ&t=4s

Odpovědět


Re: Re: Casimirův jev

Marek Fucila,2017-05-15 20:02:35

Pekna ukazka.
Wikipedia ma priviedla k zaujimavemu citatu:

"de Broglie–Bohmova interpretace (Louis de Broglie (1927), David Bohm (1952)) je teorie (někdy zvaná též teorie "pilotní vlny"), která je deterministická a nelokální ("Bohmova mechanika"). Zastával ji i John Stewart Bell a podle Murray Gell-Manna Bohm vymyl mozky celé generaci fyziků." :-)

https://cs.wikipedia.org/wiki/Kvantov%C3%A1_mechanika

Netusim, ci je teda teoria pilotnej vlny prekonana, ale je to urcite ptitazlivejsia interpretacia.:-)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni