Neobyčejná teorie světla a látky
Richard P. Feynman: Neobyčejná teorie světla a látky. Kvantová elektrodynamika. Praha, Aurora 2001. Z anglického originálu QED: The Strange Theory of Light and Matter přeložili Jiří Adam a Dagmar Adamová, 160 stran.

Existují v podstatě tři různé druhy postoje fyzika k filosofii. První typ se filosofické argumentaci v oblasti nejobecnějších otázek teoretické fyziky nevyhýbá. Druhý typ fyzika naopak důsledně trvá na tom, že prověření platnosti jakékoli fyzikální myšlenky je věcí pouze experimentu, a filosofické námitky proto v tomto směru nepovažuje za relevantní. Třetí skupinu pak tvoří experimentální fyzikové, které pochybnosti a obavy filosofa nad způsobem vyhodnocení experimentu prostě nezajímají. Richard Feynman patří spíše do druhé skupiny fyziků, o filosofech se vyjadřuje ironicky, až s posměchem, nicméně filosofická rovina problémů fyziky mu cizí není.

Richard Feynman (1918-1988) byl jeden z těch výjimečných odborníků a popularizátorů vědy, kteří dokázali přístupnou formou přiblížit složité problémy svého oboru i laické veřejnosti. Z Feynmanova díla připomeňme cyklus přednášek, vysílaný také na televizní stanici BBC, O povaze fyzikálních zákonů, dále úvahy O smyslu bytí a autobiografické vzpomínky To nemyslíte vážně, pane Feynmane! a Snad ti nedělají starosti cizí názory. Českému čtenáři je také dostupný populární úvod do moderní fyziky Feynmanovy přednášky z fyziky (spolu s Robertem Leightonem a Matthew Sandsem). Na konci minulého roku pak nakladatelství Aurora vydalo další práci tohoto vynikajícího fyzika 20. století Neobyčejnou teorii světla a látky.

Knihu Neobyčejná teorie světla a látky tvoří čtyři Feynmanovy přednášky o kvantové elektrodynamice, které byly předneseny v roce 1983 na Kalifornské univerzitě jako úvod rozsáhlejšího projektu, který si kladl za cíl seznamovat zájemce z řad nejširší veřejnosti se současným vědeckým vývojem a dosaženými výsledky v různých oblastech bádání. Feynman se ve svých přednáškách rozhodl poodhalit poznání chtivému posluchačstvu základy poměrně složité fyzikální teorie interakce fotonů a elektronů. Kvantová elektrodynamika (QED) je teorie, která vysvětluje elektromagnetické interakce v pojmech kvantové fyziky. Richard Feynman v této oblasti fyziky mikrosvěta pracoval od 40.let, výrazně se podílel na odvozování rovnic kvantové elektrodynamiky, a právě za tyto výsledky mu byla společně s Julianem Schwingerem a Sin-Itiro Tomonagou udělena v roce 1965 Nobelova cena. Kvantová elektrodynamika popisuje obrovské množství jevů, kromě gravitace a jaderných procesů je základem pro pochopení všech ostatních známých fyzikálních a fyzikálně-chemických jevů. Stojí na několika elementárních principech, nabízí jednoduchý a elegantní způsob odvozování a je velice dobře experimentálně potvrzena. Přestože se Neobyčejná teorie světla a látky prezentuje jako „populární” výklad, Feynman již v samém úvodu varuje, že z respektu k dané teorii nehodná zdánlivou jasnost a srozumitelnost problému zaplatit zjednodušováním a zkreslením. Proto ty, kteří si myslí, že kvantovou elektrodynamiku je možné vysvětlit a pochopit bez jediné rovnice, dopředu upozorňuji, že text není zdaleka tak jednoduchý, jak by se po přečtení přebalu knihy mohlo zdát.

V první přednášce (Úvod), jejímž hlavním tématem je světlo, Feynman především ukazuje, že všechny běžné vlastnosti světla, jako je lom, ohyb, odraz nebo pohyb po přímce, je možné vysvětlit v rámci kvantové elektrodynamiky a že tato teorie poskytuje mnohem přiléhavější a přesnější popis skutečnosti, než jaký byly schopny poskytnout teorie dřívější. Za to jsme však nuceni zřeknout se klasických pojmů a představ a přistoupit na poněkud bizarní chování přírody. Ve fyzice bylo světlo původně pokládáno za vlnění, později se však objevily jevy, které bylo lze vysvětlit jen za předpokladu, že se světlo chová jako proud částic. Pro popis odrazu či lomu světla se tak například použilo obrazu vlny, fotoelektrický jev se naopak vysvětloval pomocí kvantové hypotézy. Další bádání na mikroskopické úrovni pak prokázalo, že stejnou povahu mají všechny elementární „částice”. Toto schizofrenní chování částic vedlo ve fyzice až k takové situaci, že pro analýzu daného jevu bylo třeba dopředu vědět, který experiment budeme analyzovat, a podle toho se rozhodnout, kterou představu použít. Feynman řeší vlnově-korpuskulární dualismus světla prostě tím, že dává přednost částicovému obrazu, a to z toho prostého důvodu, že dostatečně citlivý přístroj nakonec vždy detekuje světlo jako částici. Tento nový pojem částice však v žádném případě není možné spojovat s pojmem, který známe z klasické fyziky. Částice se v kvantové elektrodynamice chovají podle pravidel o kreslení a skládání amplitud, které Feynman v Neobyčejné teorii světla a látky také podrobně vysvětluje. Kromě srozumitelných představ odvolávajících se na každodenní zkušenost, nabourala kvantová teorie ještě jeden ze zdánlivě neotřesitelných základů fyziky. Zatímco v klasické fyzice je možné na základě přesné a úplné informace o stavu soustavy v čase t jednoznačně určit jeho stavy minulé i budoucí, kvantová teorie přesný výsledek experimentu předpovědět nedokáže, umí počítat pouze pravděpodobnosti. V rámci kvantové elektrodynamiky je principiálně nemožné říci, co se v daném experimentu opravdu odehrálo. Feynman to ilustruje na příkladu částečného odrazu světla. Když dopadá světlo pod úhlem 90° na skleněnou tabuli, 4% fotonů se odrazí a 96% projde povrchem skla. Avšak vysvětlit, kterou z možností si každý jednotlivý foton zvolí nebo proč k těmto pravděpodobnostem vůbec dochází, kvantová elektrodynamika prostě nedokáže.

Ve druhé kapitole (Fotony: částice světla) nás Feynman podrobněji seznamuje s fotony - elementárními částicemi světla. Analýza běžných optických jevů částicovým předpokladem totiž podle Feynmana mnohem přesněji popisuje to, co se ve skutečnosti děje. Kvantová elektrodynamika navíc dokáže odpovídat i na otázky, které klasickým způsobem řešitelné nebyly. Jak již bylo řečeno, pojem částice, se kterým QED pracuje, je zcela nově vymezeným pojmem. Už nemá dobrý smysl mluvit současně o hmotnosti a hybnosti částice a připisovat ji nějakou konkrétní dráhu. Ve fyzice mikrosvěta není možné chápat „částici” ani jako vlnu, ani jako hmotný bod. Pohybový stav fotonu (nebo kterékoli jiné částice), který je vyslán ze zdroje k detektoru přes stínítko se dvěma otvory, je v kvantové teorii superpozicí stavu, kdy prochází otvorem A, a stavu, kdy prochází otvorem B. Feynman dokonce navrhuje, že musíme vzít v úvahu všechny možné dráhy, kterými foton mohl cestu od zdroje k detektoru projít, abychom byli schopni přiléhavěji chování světla popsat. V rámci kvantové elektrodynamiky se počítají tzv. amplitudy pravděpodobnosti a výsledky, ke kterým se dochází, jsou ve velice dobré shodě s experimentem. Rýpavého filosofa pak ovšem napadá ptát se, jaký je ontologický statut amplitud? Co tyto amplitudy vlastně označují, pokud vůbec něco označují. Feynman v Neobyčejné teorii světla a látky mechanismus kreslení a počítání šipek (amplitud pravděpodobnosti) podrobně vysvětluje a ukazuje, že tato metoda vede ke správným předpovědím pro všechny optické jevy. Jako jeden z ilustrativních příkladů je uveden odraz světla od zrcadla. V klasickém popisu se předpokládá, že světlo se odráží v bodě, kde je úhel odrazu roven úhlu dopadu. Avšak Feynman dokazuje, že ve skutečnosti se světlo odráží od celé plochy zrcadla. Při výpočtu je tedy nutné uvážit všechny možné způsoby, jakým se světlo mohlo dostat z jednoho bodu do druhého, a poté příslušné pravděpodobnosti sečítat. Cílem je získat jedinou, výslednou šipku pro uvažovaný proces, její čtverec pak udává pravděpodobnost jevu. Feynman je ve svém výkladu veden až úzkostlivou snahou nic nezamlčet. Vedle detailních popisů experimentů se v knize setkáváme i s neúnavným upozorňování na vše, co bylo vynecháno. Feynmanovo úsilí o co nejúplnější představu je podpořeno i četnými grafy, tabulkami a názornými obrázky. V záplavě všech těchto informací se však čtenář může cítit být podveden, když se stále nedozvídá nic o tom, proč se vlastně světlo chová tímto podivným způsobem. Kvantová elektrodynamika počítá pravděpodobnosti, aniž by nabízela dobrý model toho, proč k nim vlastně dochází. Nicméně i na tuto výtku má Feynman dopředu připravenou odpověď. Fyzika je experimentální věda a je kompetentní vysvětlovat pouze to, jak to v přírodě chodí, nikoli však proč se příroda chová právě tímto podivuhodným způsobem.

Na začátku třetí kapitoly, nazvané Elektrony a jejich interakce, je popsán ještě jeden velmi zvláštní příklad chování světla, které nelze vysvětlit žádným klasickým způsobem. Jedná se o pokus se dvěma štěrbinami na stínítku, které je umístěno mezi zdroj světla a detektor. Podle Feynmana má tento experiment zcela zásadní význam, neboť se do něj promítá samotné jádro kvantové mechaniky. Pokusím se o jeho stručné shrnutí. Experiment se tedy skládá ze světelného zdroje, který vyzařuje proud fotonů, ze stínítka, v němž jsou dvě malinké dírky (A a B), skrze něž mohou fotony procházet, a z detektoru (D), který prošedší fotony registruje. Předpokládá se, že každou štěrbinou prochází přibližně stejné množství světla. První udivující zjištění tkví v tom, že četnost detekovaných fotonů při průchodu oběma štěrbinami bude jiná, než kdybychom vždy jen jednu z nich zakryly a výsledky jednoduše sečetli. Nemůžeme tedy říci, kterou štěrbinou foton prošel, a dokonce ani není pravda, že foton prošel jedním, nebo druhým otvorem. Zdá se, že se světlo chová jako vlna (přestože na konci je detekováno jako částice), nastává jev zvaný interference, a právě ten ovlivní výsledek pokusu. Bizarnost celého jevu se ještě zvýší, umístíme-li za dírky A a B speciální detektory, které zaznamenají, zda jím příslušný foton prošel. V tomto případě se naopak zdá, jako by se světlo po celou dobu pokusu chovalo jako částice. Víme, že foton prošel jedním nebo druhým otvorem, a interference zmizí. Pokud tedy uspořádáme experiment tak, abychom zjistili, kterým otvorem foton prochází, zjistíme, kterým otvorem foton prošel. Ale pokud speciální detektory v A a B odstraníme, dráhu, kterou foton prošel, nezjistíme. Rozhoduje se snad foton podle uspořádání experimentu? A co vůbec může foton vědět o tom, jaké přístroje se při pokusu použijí? Toto už není jen problém neodstranitelného vlivu procesu měření. Feynman vidí řešení situace především v nutnosti jasnějšího definování jevu. Jev v kvantové mechanice je podle Feynmana určen souborem svých počátečných a konečných stavů, nic více a nic méně. Pokud tedy fotony procházejí štěrbinami bez detektorů v A a B, registrujeme pouze konečné cvaknutí v D. Avšak v případě se speciálními detektory dostáváme dvě sady konečných podmínek [1) cvaknou detektory A a D; 2) cvaknou detektory B a D], takže pravděpodobnost každé z nich musíme počítat zvlášť.

V další části této kapitoly se pak Feynman věnuje elektronům a jejich interakci s fotony. Jestliže až do této chvíle si Feynman při svém výkladu vystačil s jistým zjednodušením, nyní odhaluje, že ve skutečnosti při dopadu světla na povrch dochází k jeho interakci s elektrony. „Foton s elektrony tančí jistý tanec, jehož konečný výsledek je stejný, jako by dopadl jen na povrch.”. V jádru kvantové elektrodynamiky jsou pouze tři základní děje, ze kterých je možné odvodit všechny jevy spojené se světlem a elektrony. Je to až neuvěřitelně banální: 1) Foton jde z jednoho bodu do druhého. 2) Elektron jde z jednoho bodu do druhého. 3) Elektron vyzáří nebo absorbuje foton. Všechna rozmanitost pak pochází pouze z jednotvárného opakování těchto tří základních kroků. Za to jsme však nuceni zaplatit srozumitelnými představami a přijmout poněkud bizarní chování přírody. Světlo už neběží po přímce, neodráží se jen tak od zrcadla a při rozptylu světla se dokonce objevuje zajímavá možnost do minulosti cestující částice. Jak již bylo zmíněno výše, Feynman je především veden snahou nic nezkreslovat a nic nezamlčet. Každý příklad je tak v Neobyčejné teorii světla a látky podepřen názorným grafem či náčrtem, vypočítávány jsou důsledně všechny možnosti. K tomu je však nutné říci, že právě tyto pasáže představují nejobtížnější partie textu.

V poslední přednášce (Otevřený konec) se Feynman zaměřil jednak na problémy spojené s kvantovou elektrodynamikou, jednak na její vztah k jiným fyzikálním teoriím. Kvantová elektrodynamika dosahuje neobvykle přesného souladu s experimentem, kromě gravitace a radioaktivity poskytuje výborný základ pro popis jevů i z jiných oblastí fyziky. QED dosáhla tak průkazných úspěchů, že posloužila jako předloha pro vybudování teorie silných jaderných interakcí (tzv. kvantová chromodynamika - QCD). Především z těchto důvodů se o kvantové elektrodynamice často mluví jako o klenotu mezi fyzikálními teoriemi nebo jako o nejpreciznější a nejpřesnější teorii, jaká kdy existovala. Toto nadšení však zdaleka nesdílejí všichni odborníci. Především se nabízí již zmiňovaný problém s amplitudami. Podle Feynmana ovšem není žádný experimentální důvod o metodě s amplitudami pochybovat. Základním předpokladem fyziky je ověřování jakékoli její myšlenky výlučně experimentem, takže filosofické obavy zde nejsou důležité. Feynman je přesvědčen, že fyzika může používat nejrůznější způsoby vyhodnocování experimentů, ale nikdo jí nesmí dopředu předepisovat, jaké tyto způsoby mají být. Jako mnohem závažnější nedostatek se jeví matematická nekonzistentnost kvantové elektrodynamiky. Při výpočtech, které se provádí, je totiž nutné provést jisté operace (tzv. renormalizace), která zajistí vykrácení nekonečen na obou stranách rovnice. Ve světle pátrání po teorii všeho je tak na kvantovou elektrodynamiku možné pohlížet jako na pouhou aproximaci teorie finální.

Neobyčejná teorie světla a látky si jistě vyžaduje trpělivého a pečlivého čtenáře, nicméně z Feynmanových přednášek je možné těžit i v případě, že ne všem detailům plně porozumíte. V hutném textu jsou nakousnuté i jiné filosoficky zajímavé problémy (otázka hledání definitivní podoby přírodních zákonů, podobnost struktur fyzikálních teorií či problém klidové hmotnosti elementárních částic), které mi jen dosvědčují, že Feynman měl o filosofii mnohem větší zájem, než jaký byl ochoten explicitně přiznat.

Zdeňka Jastrzembská




Published by the Department of Philosophy, Faculty of Arts, Masaryk University, Brno, Czech Republic.
ISSN: 1212-9097