Spis treści

Karta redakcyjna

Wprowadzenie (Łukasz Lamża)

I. ŚWIAT KLASYCZNY (Marcin Łobejko)

I.1. Klasyczny eksperyment Macha-Zehndera

I.2. Teoria falowa Maxwella

I.3. Wytłumaczenie klasycznego eksperymentu Macha-Zehndera

II. ŚWIAT KWANTOWY (Marcin Łobejko)

II.1. Kwantowy eksperyment Macha-Zehndera

II.2. Parę terminów: reguła Borna, funkcja falowa, równanie Schrödingera

II.3. Eksperyment z dwiema szczelinami

II.4. Wytłumaczenie eksperymentu z dwiema szczelinami przez fizykę kwantową

II.5. Chmury, cząstki i kolaps funkcji falowej

III. CZY DA SIĘ OSZUKAĆ MECHANIKĘ KWANTOWĄ? (Marcin Łobejko)

III.1. Trzy eksperymenty

III.2. W poszukiwaniu prawdziwej trajektorii elektronu

III.3. Zaobserwować, ale bardzo dyskretnie

IV. INTERPRETACJE MECHANIKI KWANTOWEJ (Łukasz Lamża)

IV.1. Trudne rozmowy Noblistów

IV.2. Interpretacje mechaniki kwantowej – wprowadzenie

IV.3. Cztery Pytania

IV.4. Interpretacja kopenhaska

IV.5. Interpretacja obiektywnego kolapsu

IV.6. Interpretacja fali pilotującej

IV.7. Interpretacja wielu światów

V. UKLASYCZNIENIE (Marcin Łobejko)

V.1. Problem dwóch światów

V.2. Największy problem mechaniki kwantowej

V.3. Makroskopowa superpozycja a uklasycznienie

V.4. Paradoks kota Schrödingera

V.5. Teoria dekoherencji

V.6. Nierozwiązany problem

Przypisy

© Copyright by Łukasz Lamża, Marcin Łobejko & Copernicus Center Press, 2019

Recenzent naukowy
dr hab. Wojciech Grygiel

Konsultacja naukowa
prof. Krzysztof A. Meissner

Adiustacja i korekta
Artur Figarski

Projekt okładki
Michał Duława

Grafika na okładce
© Copyright by iStock.com | George Peters

Grafiki 3D
Łukasz Lamża

Grafiki 2D
Marcin Łobejko

Skład
Artur Figarski

ISBN 978-83-7886-461-5

Wydanie pierwsze

Kraków 2019

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

.

Szanowni Państwo!

Książka, którą trzymają Państwo w rękach zawiera treści cyfrowe. Można je odczytać przy pomocy smartfona lub tabletu.

Wystarczy zainstalować aplikację TOTEM AR:

Jak używać TOTEM AR:

1. pobierz i zainstaluj aplikację
(pamiętaj o ustawieniu odpowiednich uprawnień)

2. uruchom ją, wybierz opcję “skanuj”
i skieruj obiektyw na grafiki w książce
oznaczone symbolem

3. ciesz się cyfrowymi treściami zawartymi w książce.

TOTEM AR to aplikacja drukarni cyfrowej
TOTEM.COM.PL Sp. z o.o. S. k.,
której siedziba mieści się w Inowrocławiu.

Wprowadzenie

Łukasz Lamża

Żeby zrozumieć, jak dziwny jest tak naprawdę świat kwantowy, musimy zacząć od przyjrzenia się temu „normalnemu” światu życia codziennego, który w tej książce będziemy określać jako „klasyczny”. Jeszcze wcześniej wypadałoby jednak poświęcić chwilkę samemu słowu „świat”, odpowiadając przy okazji na kłopotliwe pytanie: dlaczego właściwie mówimy o dwóch różnych światach? Czy nie powinien istnieć jeden? Dlaczego w ogóle dzielimy rzeczywistość na części?

Świat, czyli co?

Zdradzę Wam sekret: tak naprawdę nikt do końca nie wie, jaki jest świat. Wyobraźmy sobie, że wybieramy się w wielką podróż badawczą, odwiedzając przedstawicieli kilkudziesięciu największych grup etnicznych świata, w każdej z nich rozmawiając tylko z ludźmi powszechnie uznawanymi za najmędrszych i najbardziej doświadczonych życiowo. Następnie składamy wizytę u kilkuset starannie wybranych ekspertów, poczynając od fizyków, kosmologów i innych naukowców, następnie filozofów i teologów, przedstawicieli grup religijnych, a potem wielkich literatów i artystów, Noblistów i tak dalej. Wszystkim tym ludziom zadajemy tylko jedno pytanie: „Co istnieje?”.

Po paru latach spędzonych na takiej wędrówce oraz starannej analizie nagrań i notatek okazałoby się, że my, ludzie, nie mamy w żadnym sensie solidnej, ustalonej wiedzy na temat tego, co istnieje. Na liście rzeczy „poważnie podejrzewanych o to, że istnieją”, znalazłyby się pewnie: przedmioty otaczającego nas świata, potem gwiazdy i galaktyki, atomy, cząstki elementarne i pola; potem różnego rodzaju siły życiowe i duchowe, dusze ludzkie i duchy ożywiające od wewnątrz inne stworzenia; bogowie, aniołowie i rozmaite bezosobowe kosmiczne siły stwórcze lub porządkujące; liczby, proporcje i prawa matematyczne; miłość, prawda, wiara i sprawiedliwość... i tak dalej. Z naszej wyprawy badawczej wrócilibyśmy z poważnym zawrotem głowy i brakiem, choćby w zalążkowej wersji, czegoś takiego, jak konsensus.

To jednak przecież oczywiste – mógłby ktoś odpowiedzieć. Jeśli zapytamy tybetańskiego ascetę, filozofa zajmującego się zawodowo metafizyką i kosmologa z Cambridge o strukturę świata, oczywiście uzyskamy inne odpowiedzi. Nas interesuje jednak przecież coś znacznie bardziej skromnego – budowa świata fizycznego. Okazuje się, że nawet gdybyśmy ograniczyli naszą próbę badawczą do fizyków, wybierając tylko najbardziej szanowanych przedstawicieli tej gałęzi nauki, otrzymalibyśmy oszałamiające bogactwo wizji świata. Nasi rozmówcy nie byliby wcale zgodni co do tego, co tak naprawdę istnieje – i jakie właściwie jest to, co istnieje. Za dużą część tego nieporozumienia odpowiadałaby zaś fizyka kwantowa: choć jest ona doskonałym narzędziem poznawczym, bardzo trudno jest odpowiedzieć na pytanie, co mówi nam o świecie.

Kiedy mówię „świat”, mam więc na myśli z grubsza: „zbiór rzeczy, które uważamy za istniejące, posiadające określone cechy i sposób zachowywania się”. Gdybyśmy chcieli pokusić się o nieco większą precyzję filozoficzną, prawdopodobnie musielibyśmy wyjaśnić, że chodzi nam konkretnie o tak zwany „świat zewnętrzny”, zwany też „światem przyrody”, co z kolei skierowałoby nasze kroki ku pytaniu o źródła wiedzy, poznanie empiryczne i tak dalej. To nie są wcale kwestie czysto kosmetyczne! Gdy przyjrzeć się historii fizyki dwudziestowiecznej, okazuje się, że badanie teorii kwantowej naturalnie prowadzi do właśnie tych pytań, a każdy w zasadzie twórca tej teorii został na pewnym etapie życia pociągnięty w stronę filozofii. To nie przypadek. Nieuchronność, z jaką fizyka kwantowa prowadzi do najgłębszych pytań filozoficznych, była zresztą jedną z przyczyn, dla których postanowiliśmy napisać niniejszą książkę. Na razie jednak możemy spokojnie poprzestać na tym wstępnym rozumieniu, czym jest świat.

Każdy z nas stwarza sobie swoją własną, prywatną wizję świata, prawdopodobnie w dużym stopniu inspirowaną tym, co zasłyszeliśmy od członków swojej kultury, zwłaszcza rodziców, nauczycieli i innych autorytetów, oraz tym, co wyczytaliśmy w książkach. Rozmaite cywilizacje z biegiem czasu opracowują często swoje własne „standardowe” wizje świata. Wykształcony XV-wieczny Europejczyk, przykładowo, zagadnięty na ulicy Krakowa, Pragi czy Paryża, prawdopodobnie odpowiedziałby, że istnieją sfery planetarne i gwiazdy stałe, a za nimi promienieje światło Boże; że świat składa się z rozmaitych substancji, esencji i żywiołów, rozproszonych w materiałach i pożywieniu, będących pod wpływem planet... i tak dalej.

Nauka to szczególnego typu przedsięwzięcie, które skupione jest na świecie fizycznym, prowadzące do coraz lepszego zrozumienia go, stale korygowanego przez eksperyment i zastosowania. Mogłoby się więc wydawać, że „świat taki, jakim opisuje go nauka” jest w pewnym sensie wyróżniony poznawczo – i rzeczywiście tak jest. Trudno znaleźć metodę „konstruowania światów”, która byłaby bardziej systematyczna i ostrożna – choć oczywiście nauka, jak każdy wynalazek człowieka, nie jest niezawodna. Szczególnego typu słabością nauki, będącą równocześnie źródłem jej wielkiej potęgi, jest jej ciągła zmienność. Świat takim, jakim go opisywał naukowiec XVII-wieczny, jest zupełnie inny od tego, jakim go opisywano w XIX wieku czy na początku XXI wieku, a za kolejne sto lat z pewnością będzie on jeszcze inny. Niniejsza książka poświęcona jest zestawieniu ze sobą dwóch tego typu światów.

Jeden z nich to „świat klasyczny”. Co ciekawe, stanowi on tak naprawdę tylko nieznacznie doprecyzowaną wersję tego, w jaki sposób potocznie wyobrażamy sobie rzeczywistość fizyczną. W dalszej części książki opiszemy ten świat nieco dokładniej. Z punktu widzenia fizyka jest on opisywany przez mechanikę klasyczną – naukę o położeniach, prędkościach, przyspieszeniach, siłach i tak dalej. Areną dla niego jest zaś swojska, płaska, bezpieczna, intuicyjna przestrzeń trójwymiarowa. W tego typu świecie żyli naukowcy jeszcze na początku XIX wieku, a z niewielkimi modyfikacjami aż do początku XX wieku. Potem historia zaczęła się komplikować.

Po pierwsze, znacznie poszerzył się nam Kosmos za sprawą nowego języka opisu przestrzeni, opracowanego przez Einsteina oraz jego nauczycieli i następców, a także szeregu odkryć kosmologicznych, zwłaszcza zaobserwowania galaktyk poza Drogą Mleczną oraz tego, że wydają się od nas oddalać. Wskutek tych przemian, z których wyrosła współczesna (tzw. „relatywistyczna”) kosmologia fizyczna, znaleźliśmy się nagle w zupełnie innym Kosmosie niż ten, jaki wyobrażali sobie nasi przodkowie. To Kosmos wielki i paradoksalny: prawdopodobnie nieskończony przestrzennie, a przy tym stale się rozszerzający; Kosmos, w którym w różnych miejscach czas płynie w innym tempie; Kosmos, który miał swój gorący i chaotyczny początek. Ta książka nie będzie jednak dotyczyła przemian naszego rozumienia świata w tej najszerszej, kosmicznej skali.

Drugą wielką przemianą była bowiem rewolucja kwantowa. W wyniku szeregu coraz to bardziej niesamowitych odkryć eksperymentalnych oraz rozwoju nowego aparatu matematycznego, przed naszymi oczami zaczął się rysować świat cząstek i pól, które zachowują się zupełnie inaczej niż elementy „świata klasycznego”. Co gorsza, niektóre z cech procesów kwantowych nie są nawet po prostu „dziwne”, lecz kompletnie wręcz niewyrażalne: bywa tak, że od strony matematycznej i ilościowej wszystko ma sens i prowadzi do dobrych przewidywań, jednak próby wyrażenia słowami, co „tak naprawdę” dzieje się z aktorami biorącymi udział w tych procesach, spełzają na niczym. Kosmos w skali największej jest dziwny i nieintuicyjny, jego najważniejsze cechy można jednak przynajmniej w miarę dobrze wyrazić językowo. Świat kwantowy wydaje się jednak stawiać wyzwanie samej logice naszego języka.

Sytuacja na „rynku światów” jest więc dość interesująca. Większość z nas przyswoiła już sobie bez większego bólu najważniejsze cechy współczesnej wizji kosmologicznej. Bez zająknięcia mówimy o Wielkim Wybuchu, odległych galaktykach i powstawaniu planet wokół nowych słońc. Naprawdę żyjemy już – na poziomie szczerego, nawet niewyrażonego słowami przekonania – w wielkim Kosmosie, o którym mówi współczesna nauka. Wciąż jednak nie potrafimy zaakceptować, że nie cały ów Kosmos jest „klasyczny” – że cechy, które słusznie przypisujemy kubkom z kawą, jabłkom czy planetom, nie mogą być przypisane atomom i elektronom. Zapytani przez wspomnianego wyżej wędrownego dziennikarza-filozofa, jaki jest świat, prawdopodobnie opisalibyśmy więc świat klasyczny. Fizycy tymczasem już od ładnych kilku pokoleń stanowczo twierdzą, że rzeczywistość w skali mikroskopowej wcale nie zachowuje się w sposób klasyczny, przyznając równocześnie, że w skali ludzkiego doświadczenia codziennego nie ma po tym właściwie żadnych śladów. Wyprowadzenie „świata klasycznego” ze „świata kwantowego” jest zaś co najmniej problematyczne.

To naprawdę dziwaczna sytuacja. Znamy z historii przypadki najprzedziwniejszych obrazów świata, ale by świat fizyczny, w którym jesteśmy zanurzeni, był rozszczepiony na dwa zupełnie odmienne światy, niezgrabnie ze sobą zszyte gdzieś głęboko w skali nanometrów? Niniejsza książka poświęcona jest wyjaśnieniu, czym właściwie świat kwantowy różni się od klasycznego, jak na to reagowała społeczność osłupiałych fizyków, oraz jak można zszyć ze sobą te dwa światy.

Świat klasyczny

Dosyć tych wstępów. Zacznijmy może od wyjaśnienia, co tak naprawdę mamy na myśli, gdy mówimy „świat klasyczny”.

Aby poznać świat klasyczny, wystarczy się rozejrzeć i wziąć do ręki dowolną rzecz, na przykład mandarynkę. Cała mechanika klasyczna to tak naprawdę sformalizowana intuicja codzienna. Cóż więc mówi nam taka intuicja?

1. Świat można podzielić na poszczególne przedmioty, posiadające swoje mniej czy bardziej ostre granice. Czasem zdarza im się oczywiście rozdzielać – jak wtedy, gdy odkrawamy kromkę chleba, albo łączyć – gdy wsypujemy sól do zupy. To jednak tylko chwilowe przetasowania we względnie jasnym podziale świata na przedmioty.

Intuicja ta pięknie wpisała się w starożytną doktrynę atomizmu, zgodnie z którą świat można podzielić na najmniejsze, niepodzielne już elementy. Dziś w odniesieniu do tych elementów prawdopodobnie nie użylibyśmy słowa „atom”, ponieważ termin ten został przywłaszczony w XVIII i XIX wieku przez fizyków, którzy określają w ten sposób jeden z elementarnych składników materii. Tak rozumiany atom nie jest oczywiście niepodzielny – składa się z elektronów oraz jądra atomowego, to zaś zbudowane jest z pewnej liczby nukleonów: protonów i neutronów. W drugiej połowie XX wieku opracowana zaś została teoria kwarków, zgodnie z którą istnieje jeszcze głębszy poziom budowy materii: wedle tej teorii zarówno protony, jak i neutrony składają się z kwarków, i to one są zgodnie z obecnym stanem wiedzy cząstkami prawdziwie elementarnymi. To właśnie pojęcie – „cząstka elementarna” – stanowi, nawiasem mówiąc, najlepszy chyba współczesny odpowiednik starożytnego terminu „atom”. Atom (fizyczny) nie jest więc atomem (filozoficznym)!

Ze względu na to, o czym mówimy obecnie, nie jest jednak tak naprawdę istotne, czy kwarki stanowią ostatni krok na drodze ku naprawdę nierozkładalnym elementom rzeczywistości fizycznej. Rzecz w tym, że rozwój chemii i fizyki atomu doprowadził do potwierdzenia naszej pierwotnej intuicji, iż świat składa się z przedmiotów. Nawet przypadki kłopotliwe (Czy wypływająca z kranu woda to jeden przedmiot? A co z chmurami albo atmosferą?) można zawsze sprowadzić do atomów (filozoficznych).

To jednak nie koniec. Przekonanie, że świat jest na fundamentalnym poziomie skończonym zbiorem przedmiotów, prowadzi naturalnie do sposobu myślenia, który określa się jako redukcjonizm. Jeśli chcę poznać jakikolwiek przedmiot, powinienem rozłożyć go na „części pierwsze”, zbadać owe elementy składowe, a następnie zsumować uzyskaną wiedzę. Jest to, jak wszystko opisywane w tym rozdziale, tak naprawdę idea zdroworozsądkowa. Gdy naprawiamy samochód, szukamy części, która się zepsuła – sprawdzamy więc wszystkie po kolei, aż zlokalizujemy usterkę. Gdy z lodówki wydobywa się nieprzyjemny zapach, szukamy artykułu spożywczego, który się przeterminował. Gdy chcę powiedzieć coś ogólnego i prawdziwego o ssakach, albo o planetach Układu Słonecznego, powinienem najpierw przyjrzeć się wszystkim 6540 gatunkom ssaków i wszystkim 8 planetom. Krótko mówiąc, wiedza o pewnej całości pochodzi z wiedzy o jej częściach. Tak wyrażone przekonanie to właśnie redukcjonizm (w rozdziale IV.3. powiemy jeszcze nieco więcej na temat tego pojęcia).

Aby redukcjonizm „działał”, potrzebne jest jeszcze jedno założenie – tak chyba oczywiste, że prawdopodobnie większość z nas nie wypowiada go zwykle na głos. To jednak cecha wspólna wszystkiego, co składa się na „klasyczny obraz świata”: jednak są to tylko w gruncie rzeczy banalne oczywistości. Mowa o tym, że owe przedmioty, czy złożone, czy proste („atomy”), mają pewne ustalone właściwości. Są takie, a nie inne. W szczególności, masa jabłka albo liczba atomów, z których jest ono zbudowane, albo to, który element silnika wymaga naprawy, nie wynika z mojej („subiektywnej”) opinii, lecz jest („obiektywną”) cechą świata. Każdy przedmiot składający się na świat ma swoje właściwości, co można wyobrazić sobie jako przyczepioną do niego metkę. W przypadku cząstek elementarnych lista tych właściwości jest skończona. Ot, elektron (opisany częściowo w duchu fizyki klasycznej) mógłby posiadać takie na przykład parametry: 1) masę; 2) ładunek elektryczny; 3) spin; 4) położenie; 5) prędkość. I tyle. Podanie tych pięciu parametrów całkowicie wyczerpuje wiedzę, jaką można mieć na temat tego konkretnego elektronu. Elektron po prostu obiektywnie jest właśnie taki i w każdej chwili czasu charakteryzuje go pewien zamknięty zbiór parametrów. Przekonanie to można by określić jako realizm własności – własności przedmiotów istnieją w każdej chwili, niezależnie od tego, czy ktoś je w danym momencie bada, czy nie.

2. Druga „zasada klasyczności” może wydawać się nieco mniej oczywista, ale po chwili namysłu trudno się z nią nie zgodzić: przedmioty oddziałują tylko z tym, z czym wchodzą w bezpośredni kontakt. Mandarynka nagrzewa się od mojej ręki, ale nie od ręki człowieka znajdującego się na drugim końcu pokoju albo w Chinach. Oczywiście, znajdujące się w pomieszczeniu osoby w pewnym stopniu podwyższają temperaturę mandarynki, jednak dokonuje się to za pośrednictwem powietrza – musi więc najpierw dojść do bezpośredniego kontaktu skóry z powietrzem, a potem powietrza ze skórką mandarynki. Jeżeli Słońce nagrzewa mandarynkę, to tylko w tym sensie, że wysyła posłańców – fotony – które przekazują energię bezpośrednio, osobiście. Ba, potrafimy dziś wyznaczyć, ile czasu to zajmuje, ponieważ wiemy, z jaką prędkością poruszają się fotony. Krótko mówiąc, oddziaływanie musi następować poprzez kontakt, co określa się jako zasadę lokalności.

Przez kilkaset lat nie było jasne, czy da się pogodzić tę wizję z grawitacją, opisaną przez Newtona jako siła pomiędzy odległymi przedmiotami. Natychmiastowy przeskok oddziaływania w poprzek wielkich połaci przestrzeni to zjawisko niemal magiczne, o co zresztą wprost oskarżali Newtona jego filozoficzni i naukowi adwersarze. Jeszcze w XX wieku Einstein określił tego typu oddziaływanie jako spooky action at a distance: „upiorne oddziaływanie na odległość”. W XVIII i XIX wieku coraz lepiej poznaliśmy ponadto oddziaływania elektryczne i magnetyczne, które wydawały się zachowywać w sposób zbliżony do grawitacji. Cóż, prawo Coulomba to tak naprawdę doskonała kopia prawa grawitacji Newtona: cząstki oddziałują ze sobą z siłą proporcjonalną do ich ładunku, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi[1].

Jest w tym coś niepokojącego: jeśli, przykładowo, magnetyzm rozchodzi się błyskawicznie we Wszechświecie, to gdy przesuwam trzymanym w ręku magnesem, to co właściwie sprawia, że znajdujące się obok opiłki przemieszczają się, a i wskazówka znajdującego się na Księżycu odpowiednio czułego magnetometru również będzie drgać w takt ruchów mojej ręki?

Z intuicji codziennej wynika jednoznacznie, że wpływy rozchodzą się lokalnie, można by powiedzieć, „przez dotyk”, a wszelkie zjawiska rzekomo łamiące tę zasadę należą do świata paranaukowego – ot, choćby telekineza.

W ciągu ostatnich 100 lat stopniowo udało się „naprawić” nielokalność oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych i dziś uznaje się już, że nie występuje żaden tajemniczy przeskok przez przestrzeń, skutkujący nagłym popchnięciem cząstki „znikąd”. Jedną z kluczowych poszlak było odkrycie, że światło rozchodzi się ze skończoną prędkością, a następnie, że w tym samym tempie wędruje oddziaływanie magnetyczne. Spektakularnym potwierdzeniem faktu, że również zmiany pola grawitacyjnego potrzebują czasu, by dotrzeć z punktu A do punktu B, było wykrycie w 2016 roku fal grawitacyjnych, które przez 1,2 mld lat wędrowały przez przestrzeń.

Krótko mówiąc, lokalność zapewniają ostatecznie pośrednicy; w przypadku elektryczności i magnetyzmu jest nim pole elektromagnetyczne, a w przypadku grawitacji – sama przestrzeń. Wiemy więc, że nie ma mowy o żadnym natychmiastowym oddziaływaniu poprzez przestrzeń – wszelkie zmiany wywołane w jednym miejscu muszą żmudnie wędrować, nie szybciej niż z prędkością światła w próżni, w kierunku „odbiorców” tej zmiany. Wspomniane wykrycie fal grawitacyjnych pięknie ilustruje zasadę lokalności: gdy zderzają się dwie czarne dziury, przez przestrzeń wędruje posłaniec z informacją o tym zdarzeniu – fale grawitacyjne – i dopiero ten posłaniec jest w stanie rozchybotać nasze instrumenty pomiarowe. Pod tym określonym względem nawet fizyka einsteinowska jest więc „klasyczna” – ponieważ zachowana jest w niej intuicja lokalności: jeżeli chcę wiedzieć, co wydarzy się w tym miejscu, wystarczy, że przyjrzę się najbliższemu otoczeniu tego miejsca. Cokolwiek ma miejsce na drugim końcu pokoju albo w odległej galaktyce, i tak będzie musiało skorzystać z posłańca, który pojawi się w monitorowanym przez nas otoczeniu.

3. Trzecia cecha świata lokalnego wynika wprost z drugiej – jeżeli już zaobserwowałem jakieś zdarzenie, to ufam, że coś je spowodowało. Gdyby mandarynki nagle, bez powodu, eksplodowały ludziom w rękach, zmieniały kolor na fioletowy albo zamieniały się w jabłka, i nie byłoby absolutnie żadnego znanego mechanizmu odpowiedzialnego za te zdarzenia, ani żadnego innego porządku w starannie zebranych danych obserwacyjnych na ten temat, prawdopodobnie z czasem uznalibyśmy to za część „stylu”, jaki ma świat. Ba, gdyby zjawiska takie towarzyszyły ludziom od zarania dziejów, dziś już nikt nie uznawałby ich za zaskakujące – z wyjątkiem może samego momentu, gdy leżąca przede mną na talerzyku mandarynka nagle wybucha – a ponadto istniałby pewnie cały szereg zjawisk społecznych „opakowanych” wokół tego faktu przyrodniczego: być może natury religijnej, na pewno językowej (z pewnością istniałyby przysłowia nawiązujące do tego typu przypadkowych zdarzeń) oraz technologicznej (prawdopodobnie trzeba by się stale oddzielać różnego rodzaju przesłonami od wszelkich szklanych przedmiotów; być może w świecie takim w ogóle nie powstałoby szkło?). Nie żyjemy jednak w takim świecie i po miliardach, bilionach i biliardach kolektywnych obserwacji jesteśmy głęboko przekonani, że każde zdarzenie ma jakąś swoją określoną przyczynę, nawet jeśli jej jeszcze nie znamy lub nawet nigdy nie będzie nam to dane. Krótko mówiąc, wierzymy w determinizm.

Mieszkańcy hipotetycznego świata opisanego powyżej byliby pewnie głęboko przekonani o indeterminizmie świata: uważaliby zapewne (słusznie), że o ile większość zdarzeń ma swoją przyczynę, inne jej nie mają. Inaczej mówiąc, nie wszystko jest zdeterminowane.

Nawiasem mówiąc, skoro już i tak uprawiamy filozofię, warto dodać w tym miejscu drobne zastrzeżenie. W rzeczywistości istnieje parę źródeł indeterminizmu, które chętnie umieszczamy w świecie. Wspomnijmy o dwóch. Pierwszym z nich jest ludzki umysł – procesy myślowe i decyzyjne nie jest łatwo pogodzić z intuicjami świata klasycznego, a wielu z nas prawdopodobnie przyzna, że jest jakaś różnica pomiędzy koniecznością, z jaką odbijają się od siebie kule bilardowe, a sposobem, w jaki dochodzę do wniosku, że dziś na obiad zjem pieczonego pstrąga. Ba, jest coś niepokojącego i odpychającego w wizji pełnego determinizmu fizykalnego, w myśl którego wszystkie moje słowa, myśli i decyzje wynikają jednoznacznie z położenia atomów we Wszechświecie w momencie moich urodzeń; albo, swoją drogą, w momencie narodzin samego Wszechświata. Bardzo popularne, również pośród filozofów, jest więc przekonanie o wyjątkowym statusie umysłu. Niektórzy mówią wprost, że za jego autonomię odpowiada osobnego rodzaju „substancja”, na przykład dusza albo res cogitans Kartezjusza, inni zachowują większą ostrożność, mówiąc po prostu o „wolnej woli”, bez doprecyzowania, jak miałaby się ona konkretnie realizować. Tak czy inaczej warto wspomnieć, że w łonie zdroworozsądkowego „świata klasycznego” umysł stanowi pierwsze ziarno niezgody na pełen determinizm.

To jednak nie koniec. Wielu ludzi, indagowanych przez naszego wędrownego dziennikarza-filozofa, doda, że w świecie fizycznym dochodzi czasem do zjawisk ponadnaturalnych, których przyczyna leży poza światem fizycznym. Najbardziej klarowną demonstracją takiego zdarzenia jest jeden konkretny cud spowodowany „ręcznie” przez Boga, choć istnieją też formy subtelniejszego sterowania tokiem historii świata przez Opatrzność, Mojry czy tao.

Te dwie komplikacje – i potencjalnie inne, podobne – można by wygładzić dla potrzeb niniejszej książki na dwa sposoby. Pierwszym z nich byłaby otwarta deklaracja światopoglądowa: dla potrzeb rozważań o fizyce kwantowej przywdziewamy po prostu szaty mentalnych fizykalistów (uważając, że umysł można stuprocentowo zredukować do zjawisk fizycznych) oraz naturalistów ontologicznych (uważając, że nie ma żadnych zjawisk ponadnaturalnych). Biorąc pod uwagę ograniczony cel tej książki, byłoby to zresztą dość rozsądne wyjście. Warto chyba jednak przy tej okazji zwrócić uwagę na coś, co tym ostrzej pokazuje „problem z determinizmem” mechaniki kwantowej, który ujawni się w następnych rozdziałach. Otóż zarówno obecność wolnej woli, jak i ingerencji ponadnaturalnych w świat, w pewnym sensie mieści się w granicach determinizmu, jeśli pojęcie to zdefiniujemy odpowiednio szeroko! Źródłowo, determinizm to przekonanie, że każde zdarzenie ma jakąś przyczynę – nawet jeśli przyczyną ową jest swobodne poruszenie duszy albo wola jakiegoś bóstwa. Indeterminizm oznaczałby zaś, że może zdarzyć się coś bez żadnej konkretnej przyczyny w ogóle! W pewnym sensie jest to więc hipoteza bardziej wariacka od „hipotezy Boga” i „hipotezy duszy”. Jak zaś łatwo się domyślić, fizyka kwantowa wprowadzi nas właśnie w tak orientalne rejony metafizyki!

W tym miejscu na razie przerwiemy. Istnieje tak naprawdę więcej „aksjomatów klasyczności”, o których nie będziemy szczegółowo mówić w tej książce, chociaż i one potrafią zostać naruszone w świecie kwantów[2]. Jeden z nich to przekonanie o ciągłości świata, które można wyrazić następująco: jeżeli jakiś obiekt jest najpierw w stanie A, a później w stanie B, to w międzyczasie przechodzi na sposób ciągły przez stany pośrednie. To kolejna z tych cech doświadczenia potocznego, które, gdy się nad tym zastanowić, są w zasadzie oczywiste, jednak zwykle nie wypowiadamy ich na głos. Przykładowo, jeżeli spotykamy się ze znajomym po roku przerwy i jest on teraz o 20 kg cięższy (rok temu ważył 70 kg, a teraz – 90), to jest oczywiste samo przez się, że w międzyczasie osiągał również wyniki pośrednie. Musiał być taki moment, że ważył 80 kg. Gdy mówimy o cząstce, która teraz znajduje się w jednym rogu pokoju, a wcześniej znajdowała się w drugim, to musi dać się wskazać ciąg punktów pośrednich, po których się przemieszczała. Ba, jest to tak głęboka intuicja, że znalazła swój odpowiednik w dziale matematyki zwanym analizą rzeczywistą, którą stosuje się w niemal wszystkich dziedzinach fizyki – mowa o tak zwanym twierdzeniu Darboux, zwanym też „twierdzeniem o przyjmowaniu wartości pośrednich”. W pewnym sensie więc intuicja ta leży u podstaw fizyki jako takiej.

Tak przynajmniej mówi nam doświadczenie codzienne. Jak łatwo się domyślić, teoria kwantowa łamie zasadę ciągłości w sposób brutalny i niepodlegający wątpliwości. Choć jednak swego czasu budziło to w świecie fizyków potężną kontrowersję, dziś „kwantowość” teorii kwantów trochę zdążyła nam się opatrzyć i złamanie zasady ciągłości nie jest aż tak emocjonujące, jak trzech zasad, na których skupimy się w tej książce. Choć więc od czasu do czasu będziemy o niej wspominać, większość energii poświęcimy na rozprawienie się z „Wielką Trójką” zasad klasycznego świata. Wymieńmy je może dla pewności:

• zasada realizmu własności: cząstki posiadają w każdym momencie ustalone parametry;

• zasada lokalności: wszystko, co spotyka daną cząstkę, można wywnioskować na podstawie stanu jej bezpośredniego otoczenia (nie występuje „działanie na odległość”);

• zasada determinizmu: każde zdarzenie ma swoją określoną przyczynę, z której całkowicie wynikają wszystkie właściwości owego zdarzenia.

Te trzy zasady wyznaczą oś niniejszej książki. W następnych rozdziałach opowiedziane zostaną najsłynniejsze eksperymenty fizyczne, które rzucają cień wątpliwości na te „klasyczne oczywistości”. Czasem będą one podważać jedną z tych zasad, czasem wszystkie, a czasem każą nam wybrać pomiędzy jedną z nich. Tak czy inaczej nie ulega już wątpliwości, że zasady te są regularnie łamane w toku naturalnych zjawisk przyrodniczych, które dziś obserwujemy już rutynowo. Wielkie pytanie brzmi więc: jak ze świata kwantowego, w którym klasyczność świata zostaje brutalnie naruszona, posklejać „bezpieczny” świat codziennego doświadczenia? Temu poświęcony będzie rozdział „Uklasycznienie”.

Na razie zapoznajmy się z pierwszym, najważniejszym dla całej tej książki doświadczeniem – kwantowym eksperymentem Macha-Zehndera. Trudno o lepszą ilustrację kruchości tego, co mówi nam o rzeczywistości umysł ludzi wychowany w świecie codziennego doświadczenia makroskopowego. Przygotujcie się na roztrzaskanie swoich wyobrażeń o świecie.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

[1] Wzór Coulomba na siłę elektrostatyczną między dwoma punktowymi ładunkami o ładunkach q_1 i q_2, znajdującymi się w odległości r, to: F = k × q_1×q_2/r^2, gdzie k to stała proporcjonalności zwana stałą Coulomba. Wzór Newtona na siłę grawitacyjną między dwoma punktowymi masami o masach m_1 i m_2, znajdującymi się w odległości r, to: F = G × m_1×m_2/r^2, gdzie G to stała grawitacyjna Newtona.

[2] Są one systematycznie wymienione i zbadane w kontekście mechaniki kwantowej tu: J. Faye, Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2019 Edition), Edward N. Zalta (red.), https://plato.stanford.edu/entries/qm-copenhagen/.