Teploměry pro měření teploty mléka. Kredit: Tijuana Brass / Wikimedia Commons.

Schrödingerovu kočku zná každý. Oblibuje krabice s radioaktivním nuklidem a jedovatým plynem, v nichž se vyskytuje ve stavu superpozice, tedy zároveň živá i mrtvá. Je to slavná strašidelná historka, která se zrodila z Kodaňské interpretace kvantové mechaniky. Jak se ale zdá, nezůstane jenom u kočky.

Fyzici britské Exeterské univerzity Harry Miller a Janet Anders zjistili, že podobně rozverný stav kvantové nejistoty nejspíš funguje pro teploty. Podle jejich výzkumu mohou mít objekty na kvantové úrovni v jednom okamžiku dvě různé teploty. Tenhle bizarní kvantový paradox – Schrödingerův teploměr, který si příliš nezadá s původní Schrödingerovou kočkou, je prvním nově popsaným podobným kvantovým jevem po desítkách let. Studii exeterského týmu uveřejnil časopis Nature Communications.

V roce 1927 německý fyzik Werner Heisenberg vyslovil legendární pravidlo, podle něhož není možné zároveň přesně změřit polohu částice a její hybnost. Čím přesněji určíme polohu, tím hůře zjistíme hybnost částice, a naopak. Dneska tomu říkáme Heisenbergův princip neurčitosti.

Janet Anders. Kredit: University of Exeter.

Pokud jde o teplotu, tak ta je zároveň důvěrně známou veličinou, a také velice komplikovaným jevem. V ideálním plynu je teplota proporční kinetické energii částic, z nichž se takový plyn skládá. Teplota se obvykle měří v makrosvětě, pomocí teploměru. Vychází se přitom z toho, že když jsou dvě tělesa v kontaktu, tak se jejich teplota za nějaký čas vyrovná. V kvantovém světě to ale není tak jednoduché. Kvůli Heisenbergovu principu neurčitosti totiž není možné přesně změřit energii, podobně jako polohu a hybnost částice.

Slavná a jedinečná kočka. Kredit: Dhatfield / Wikimedia Commons.

Jedním z projevů této nově popsané kvantové neurčitosti je i to, že existují stavy superpozice pro energii, tedy teplotu systému. Z toho vyplývá, že stejně jako je neurčitá kvantová Schrödingerova kočka, tak je i neurčitý kvantový Schrödingerův teploměr. Takže teploměr, alespoň ten kvantový, vlastně nemá jednu konkrétní teplotu, ale jeho stav je výsledkem kombinace projevů více různých stavů zároveň. V makrosvětě může například teploměr ukazovat teplotu objektu mezi mínus 0,5 °C a nula °C. V kvantovém světě ale teploměr může ve skutečnosti naměřit, že objekt má obě tyto teploty zároveň.

Závěry výzkumu Millera a Andersové budou mít velký význam pro design a konstrukci optimálních teploměrů pro měřítko nanosvěta. Mohly by tím pádem sehrát významnou roli ve vývoji a fungování celé řady technologií blízké budoucnosti. Až bude potřeba měřit teplotu kvantových teček nebo nějakých jiných zajímavých nanoobjektů, tak budou muset nanoinženýři vzít v úvahu pozoruhodné vlastnosti Schrödingera teploměru.

Video: What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

Literatura