Kwantowe interpretacje: kopenhaska twierdza Bohra

Chciałbyś lepiej zrozumieć naturę zjawisk kwantowych i jakoś zwizualizować sobie to wszystko w głowie? Interpretacja kopenhaska zawiera cenną wskazówkę: 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.

Bohr i Heisenberg, autorzy interpretacji kopenhaskiej
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.

Fala prawdopodobieństwa w mechanice kwantowej.
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.
Nie, bo nie. Garść fizycznych niemożliwości 7 najlepszych kawałków z procesu Kitzmiller v. Dover [suplement] Zanim przyszło SETI…