Czytaj dalej

Chciałbyś lepiej zrozumieć naturę zjawisk kwantowych i jakoś zwizualizować sobie to wszystko w głowie? Szkoła kopenhaska ma dla Ciebie radę: daj sobie spokój.

Trzeba było wyjąt­ko­wego umysłu i nie­ugię­tej woli, by upo­rząd­ko­wać tak złożoną i świeżą teorię, jaką była na początku ubie­głego wieku mecha­nika kwantowa. Osobą speł­nia­jącą te wymogi z nawiązką okazał się Niels Bohr. Duński twar­dziel, słynący z zapal­czy­wo­ści, zami­ło­wa­nia do sportu i gorących dyskusji koń­czą­cych się wraz ze wschodem Słońca. Kiedy tylko Bohr włączył się w debatę o istotę zjawisk kwan­to­wych jasnym było, że nie spocznie, dopóki nie wykształci w tej materii własnego poglądu i nie przekona swoich kolegów po fachu, że jest to pogląd naj­wła­ściw­szy.

Po stu latach można śmiało powie­dzieć, że niewielu było tak sku­tecz­nych fizyków. Wielki uczony, nie licząc się z nikim i z niczym, zaczerp­nął z mecha­niki macie­rzo­wej Heisen­berga, zmik­so­wał ją z zupełnie odmien­nym falowym podej­ściem Schrödin­gera, dodał do tego szczyptę sta­ty­stycz­nego rozu­mo­wa­nia Borna – for­mu­łu­jąc system uważany do chwili obecnej za naj­bar­dziej kon­wen­cjo­nalny sposób myślenia o świecie sub­a­to­mo­wym. I choć szkoła kopen­ha­ska była kuta w ogniu sporów i nie­po­ro­zu­mień (zwłasz­cza na linii Bohr-Heisen­berg), nabie­ra­jąc przez lata wielu rys i odcieni, jedna z jej cech pozo­staje stałym znakiem roz­po­znaw­czym. Jest nią daleko posu­nięty prag­ma­tyzm.

Werner Heisen­berg i Niels Bohr (po prawej).

Co należy przez to rozumieć? Czytając o kwan­to­wej rze­czy­wi­sto­ści bez przerwy trafiamy na takie pojęcia jak nie­ozna­czo­ność, super­po­zy­cja, dualizm kor­pu­sku­larno-falowy, skok kwantowy, splą­ta­nie i tak dalej. Każdy z tych feno­me­nów przy­po­mina nam, że podczas badania cząstek i atomów ludzką intuicję powin­ni­śmy zostawić w drugich spodniach. U niemałej części osób budzi to cał­ko­wi­cie natu­ralny wewnętrzny sprzeciw. Pod­skór­nie pra­gniemy, żeby ten diabelny elektron wyglądał i działał ana­lo­gicz­nie do obiektów znanych z codzien­nego doświad­cze­nia. Żeby mate­ma­tyczna abs­trak­cja stała się uchwytna dla naszych zmysłów lub wyobraźni. Bohr oraz jego pod­opieczny i partner – Werner Heisen­berg – ocenili te starania w sposób nastę­pu­jący:

Musimy sobie jasno powie­dzieć, że jeśli chodzi o atomy, języka można używać tylko tak jak w poezji. Poeci również nie zajmują się opi­sy­wa­niem faktów, lecz two­rze­niem obrazów i wyobra­żeń.

Niels Bohr

Język pojęć kla­sycz­nych jest językiem, którym posłu­gu­jemy się, gdy opi­su­jemy doświad­cze­nia oraz ich wyniki. Pojęć tych nie umiemy i nie możemy zastąpić innymi. Jed­no­cze­śnie jednak relacje nie­ozna­czo­no­ści ogra­ni­czają zakres ich sto­so­wal­no­ści. (…) Musimy po prostu pamiętać, iż nasz codzienny język już się nie sprawdza; że znaj­du­jemy się w kró­le­stwie fizyki, gdzie nasze słowa niewiele znaczą.

Werner Heisen­berg

Powyższe cytaty stanowią credo podej­ścia kopen­ha­skiego. Są rzeczy, których nie poj­mu­jemy i być może nigdy nie pojmiemy, skupmy się zatem na tym, co oferuje twarda nauka. Eks­pe­ry­menty bez­sprzecz­nie dowodzą, że elektron lub dowolny inny obiekt kwantowy może wyka­zy­wać cechy fali. Inne testy pokazują jasno, że w pewnych warun­kach te same obiekty trafiają w cel niczym kla­syczna kor­pu­skuła. Nie oznacza to jednak, że elektron można sobie ot tak utoż­sa­miać z falą na wodzie, która w cudowny sposób prze­ista­cza się w coś na kształt pocisku kara­bi­no­wego. Obiekt kwantowy jest czymś zupełnie innym, nie­po­ję­tym dla naszych umysłów; tyle tylko, że testo­wany w okre­ślony sposób zdaje się przy­po­mi­nać rzeczy, które już skądś znamy. I mamy prawo ten fakt wyko­rzy­sty­wać na swoją korzyść w prak­tyczny sposób, odwo­łu­jąc się w obli­cze­niach choćby do pojęcia fali – nawet jeżeli żadna fala w dosłow­nym sensie nie istnieje.

Jak w tym układzie Bohr i jego następcy tłu­ma­czyli otrzy­my­wane wyniki doświad­czeń? Cała kopen­ha­ska filo­zo­fia orbituje wokół pojęć pomiaru i kolapsu. Wyemi­to­wana cząstka, dopóki nie zakłó­camy jej spokoju, może być z powo­dze­niem opi­sy­wana przez równanie falowe. Nie mówimy jednak o mate­rial­nej fali, roz­wa­ża­nej począt­kowo przez samego Schrödin­gera, lecz o abs­trak­cyj­nej, czysto mate­ma­tycz­nej fali praw­do­po­do­bień­stwa. Wszystko zmienia inge­ren­cja w układ – akt pomiaru – spra­wia­jący, że fala doznaje kolapsu i redukuje się do kon­kret­nego punktu, który jesteśmy gotowi utoż­sa­miać z cząstką. Przy­kła­dowo, w kla­sycz­nym doświad­cze­niu z dwiema szcze­li­nami wyemi­to­wany elektron czy foton rozkłada się na falę praw­do­po­do­bień­stwa, która swo­bod­nie prze­cho­dzi przez wszyst­kie dostępne otwory w prze­gro­dzie, inter­fe­ru­jąc sama ze sobą. Następ­nie fala dociera do ekranu, który zmusza ją do natych­mia­sto­wego kolapsu i wybór miejsca “lądo­wa­nia”. Będzie to miejsce losowe, acz­kol­wiek wzmac­nia­nie i wyga­sza­nie, jakiemu ulega fala, powoduje że tra­fie­nie w jedne sektory ekranu jest bardziej praw­do­po­dobne niż w inne. Fizycy potrafią to praw­do­po­do­bień­stwo wyliczyć.

Wizu­ali­za­cja podej­ścia kopen­ha­skiego. Fala praw­do­po­do­bień­stwa decyduje o tym, gdzie na ekranie wyląduje cząstka (za: Poza Kosmosem).

Powyższy opis może wydawać się dosyć mętny. Bo czym jest elektron pomiędzy emiterem a ekranem? Jeżeli nie stanowi on jakiejś roz­cią­głej w prze­strzeni struk­tury, to co należy rozumieć przez falę praw­do­po­do­bień­stwa? Dlaczego cząstka zacho­wuje się jak bez­cie­le­sne widmo, które nabiera okre­ślo­nych wła­ści­wo­ści, dopiero gdy ktoś o nie zapyta?

Jeśli wasze głowy pękają od natłoku myśli, archi­tekci szkoły kopen­ha­skiej służą kilkoma pro­po­zy­cjami pod­po­wie­dzi:

  • to nieważne
  • to nie­prak­tyczne
  • to nie jest dobre pytanie
  • nie wiemy i pewnie się nie dowiemy
  • zamknij się i licz

Jak wspo­mnia­łem, ani Bohr, ani Heisen­berg nie lubili myśleć o obiek­tach kwan­to­wych w kate­go­riach dosłow­nych fal i dosłow­nych cząstek. Wyko­rzy­sty­wali te pojęcia i odpo­wia­da­jące im sposoby rozu­mo­wa­nia, ale nie uważali, że dotykają w ten sposób istoty rzeczy. Cząstka ele­men­tarna to nie byle piłka, lecz spe­cy­ficzny kon­strukt, który zależnie od dobranej metody pomiaru posiada albo wyraźnie okre­ślone poło­że­nie, albo kon­kretny pęd. Czasem bywa podobny do fali – ale nie do końca; innym razem przy­po­mina kla­syczną cząstkę – ale również nie do końca. Na swój sposób, w świecie kwantów uzy­ski­wane odpo­wie­dzi zależą od pytania posta­wio­nego przez obser­wa­tora.

Bohr trak­to­wał dwa opisy – falowy i kor­pu­sku­larny – jako kom­ple­men­tarne, uzu­peł­nia­jące się opisy tej samej rze­czy­wi­sto­ści; uznał on, że każdy z nich może być tylko czę­ściowo praw­dziwy. Trzeba przyjąć, że istnieją granice sto­so­wal­no­ści zarówno pojęcia fali, jak i pojęcia cząstki, w prze­ciw­nym bowiem przy­padku nie można uniknąć sprzecz­no­ści.

Werner Heisen­berg

Możemy próbować to opisać, nary­so­wać, albo sobie wyobra­zić – ale nasze wysiłki praw­do­po­dob­nie i tak okażą się bardzo dalekie od rze­czy­wi­sto­ści.

Biorąc to wszystko w rachubę, całkiem zasadne staje się pytanie czy podej­ście kopen­ha­skie zasłu­guje w ogóle na miano inter­pre­ta­cji. W języku potocz­nym przez inter­pre­ta­cję zwy­kli­śmy rozumieć analizę dążącą do uchwy­ce­nia sensu jakiegoś utworu. I fak­tycz­nie więk­szość kwan­to­wych inter­pre­ta­to­rów próbuje różnymi drogami uczynić mecha­nikę kwantową przy­stęp­niej­szą dla ludz­kiego umysłu, jak również znaleźć przy­czynę wszel­kich nie­in­tu­icyj­nych zdarzeń w mikro­świe­cie. Nie­któ­rzy w tym celu zakła­dają ist­nie­nie ukrytych para­me­trów, inni próbują zmienić spoj­rze­nie na fale i cząstki, a jeszcze inni traktują fizykę kwantową jako przy­czy­nek do idei wie­lo­świata. Zwo­len­nicy Bohra uważają to wszystko za zbędne wysi­la­nie mózgow­nicy.

Nieważne co dzieje się z cząst­kami, przy­naj­mniej dopóki aparat mate­ma­tyczny pozwala nam na sku­teczne prze­wi­dy­wa­nie wyników doświad­czeń. A przecież o to chodzi w nauce.

Powyższy tekst stanowi część prze­glą­do­wego cyklu Kwantowe inter­pre­ta­cje. Pamiętaj proszę, że choć poszcze­gólne inter­pre­ta­cje mogą rzucać różne światło na wyniki doświad­czeń fizycz­nych oraz odmien­nie opisywać przebieg nie­któ­rych zjawisk i procesów, to nie uchy­biają w żaden sposób głównym zasadom i rów­na­niom leżącym u podstaw współ­cze­snej teorii kwan­to­wej.

Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, Sześć niemożliwych rzeczy. Kwanty ukojenia i tajemnice subatomowego świata, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2020;
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999;
A. Hobson, Kwanty dla każdego. Jak rozumieć to, czego nikt nie rozumie, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2018;
P. Davies, Bóg i nowa fizyka, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1996;
W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, przeł. S. Amsterdamski, Warszawa 1965.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.