PLANCKOVA KONSTANTA – MOTIVACE

Na konci 19. století se zdála být situace ve fyzice přehledná. Existovala mechanika, jejíž zákony popisovaly pohyby těles a elektrodynamika, pomocí které se dala spočítat elektrická a magnetická pole vytvořená pohyby nabitých částic. Většina fyzikální komunity se domnívala, že zbývá vysvětlit pár detailů a že veškeré teoretické nástroje k pochopení přírody má lidstvo již k dispozici.

Max Planck, jeden ze zakladatelů
kvantové teorie

Jenže na přelomu 19. a 20. století se experimentální možnosti zlepšily natolik, že se lidé poprvé dotkli atomární úrovně látky. Vyrojila se řada experimentů, které nebylo možné za pomoci tehdejších teorií vysvětlit. Šlo o záření absolutně černého tělesa, fotoelektrický jev, existenci spektrálních čar nebo samotnou existenci atomu. Postupně se ukázalo, že svět malých rozměrů podléhá jiným zákonům než svět, který běžně vnímáme. Energie a moment hybnosti nemohou v některých situacích nabývat libovolných hodnot, ale jsou kvantovány, běžně používané pojmy, jako je těleso, vlnění, rychlost nebo poloha ztrácí svůj smysl, samotné měření ovlivní měřené objekty, měřením nelze nikdy získat úplnou klasickou informaci o objektech mikrosvěta, objekty mikrosvěta mohou být ve více stavech současně (jako byste byli současně na přednášce a v restauraci) atd. Mikrosvět je zkrátka jiný než makrosvět a ve dvacátém století se zrodila nová teorie vhodná pro popis světa malých rozměrů – kvantová teorie. Vždy nám bude připadat, že kvantový svět je podivný, absurdní, zvláštní a mysteriózní. Za miliony let biologického vývoje jsme si zvykli na makrosvět, jevy v mikrosvětě jsou nám cizí a nemáme ani vyvinuté receptory, pomocí kterých bychom tyto jevy mohli přímo vnímat. Většina informací o světě malých rozměrů je jen zprostředkovaná.

Nalevo: Jeden z prvních snímků atomů. Jde o povrch krystalického křemíku vyfotografovaný mikroskopem atomárních sil. Oblast má šířku 18 nm. Svience 1995. Napravo: Obraz vnitřní struktury molekuly pentacenu (polycyklický aromatický uhlovodík) pořízený mikroskopem atomárních sil. IBM Research, Zurich, 2009.

U zrodu kvantové teorie stála řada vynikajících fyziků: Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Max Born, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac a další. Každá správná teorie obsahuje jednu jedinou konstantu, která ji fituje na reálný okolní svět. Například v teorii gravitační interakce jde o gravitační konstantu. Na papíře můžeme mít teorii s jakoukoli gravitační konstantou. Můžeme si vymyslet svět, kde je gravitační konstanta obrovská a my vidíme přímo zakřivení časoprostoru a kolem nás se potloukají mraky černých děr. Reálný svět takový není. Z našeho snění se musíme probudit a podívat se z okna jak vypadá skutečný svět, a v naší teorii zvolit takovou hodnotu gravitační konstanty, která odpovídá dění za oknem. Podobně je tomu i s kvantovou teorií. Je postavena na jediné, tzv. Planckově konstantě. Na papíře si můžeme vymyslet kvantovou teorii s jakoukoli Planckovou konstantou. Bude-li dostatečně veliká, budeme vnímat kvantové jevy i v makrosvětě. Když se kolem vás prožene kočka, bude kvantově rozmazaná a nebo se budete moct současně opalovat u moře a ještě přitom sedět v práci a pracovat. Krásný svět, že? Skutečný svět ale takový není. Planckova konstanta je ve skutečnosti menší, než jsme popsali, a většinu kvantových projevů nebudeme v makrosvětě vnímat.

A jaká tedy je skutečná hodnota Planckovy konstanty? Její zjištění je vaším úkolem v této laboratorní úloze. A při práci pomyslete i na to, že bez dovednosti využít kvantových jevů bychom neměli žádné elektronické součástky, tedy ani počítače nebo mobily. Neexistovala by jaderná energetika, neuměli bychom využívat supravodivost, neuměli bychom zobrazit tkáně pomocí magnetické rezonance a náš svět by byl mnohem chudší, než ve skutečnosti je.

• • •

Tyto materiály vznikly v rámci projektu OPPA CZ.2.17/3.1.00/33306 Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia.

Evropský sociální fond Praha & EU:
Investujeme do vaší budoucnosti