Polscy uczeni wobec zagadnienia interpretacji mechaniki kwantowej [wyniki ankiety]

Teoria kwantowa liczy sobie już 120 lat, a debata na temat jej interpretacji wciąż stanowi płonące pogranicze fizyki i filozofii. Sprawdziłem, co na ten temat sądzą współcześni polscy uczeni.

Większość teorii naukowych zwykle nie wymaga, ani nawet nie daje zbyt szerokiego pola do interpretacji. Mechanika kwantowa pozostaje pod tym względem ekscytującym dziwolągiem. Nie dość, że dotyczy obiektów niedostępnych bezpośrednio ludzkim zmysłom, to jeszcze zmusza nas do przyjęcia szeregu nieintuicyjnych założeń, a także do uznania reguł nieposiadających żadnych odpowiedników w świecie dużych, dobrze znanych nam obiektów. Jest jak skrzynka wypełniona osobliwymi narzędziami, które – czy nam się to podoba, czy nie – działają, choć nie zawsze rozumiemy dlaczego.

Narzędzia te pozwalają z kapitalną precyzją przewidzieć przykładowo, w które miejsce na ekranie trafi większość elektronów przepuszczonych przez przegrodę z dwiema szczelinami. Jest to dowód skuteczności teorii, co dla wielu fizyków zamyka sprawę. Ci bardziej wścibscy chcieliby jeszcze posiąść wiedzę o tym, co tak naprawdę dzieje się pomiędzy emiterem, a ekranem; czym w istocie jest cząstka oraz co determinuje jej zachowanie. Innymi słowy, pragną wyjść poza nagi formalizm i zajrzeć za kulisy kwantowego spektaklu.

Fizyka kwantowa a natura rzeczywistości

Nieco ponad dekadę temu, w gmachu dawnego klasztoru położonego nad brzegiem austriackiego jeziora Traunsee, miała miejsce konferencja pod hasłem Fizyka kwantowa a natura rzeczywistości. Naukowe obrady jakich wiele, ale wykłady urozmaicił pewien smaczek. Fizyk Anton Zeilinger – jeden z gospodarzy, ale również światowej sławy autorytet w dziedzinie splątania kwantowego – przeprowadził wśród 33 uczestników wydarzenia ankietę badającą ich poglądy na istotę mikroświata. Kwestionariusz zawierał szesnaście punktów. Uczeni zostali zapytani m.in. o naturę prawdopodobieństwa, stosunek do lokalności i realizmu, znaczenie pomiaru, rolę obserwatora i wreszcie, pod numerem dwunastym, o preferowaną interpretację mechaniki kwantowej.

Uzyskane wtedy wyniki nie należały do wywrotowych*. Okazało się, że większość badaczy niezmiennie kieruje się stuletnimi naukami Nielsa Bohra, podczas gdy mocno rozdrobniona konkurencja pozostaje daleko w tyle.

Jakiś czas temu zadałem sobie pytanie, czy podobne trendy panują na polskich uczelniach? W celu zbadania opinii zacząłem rozsyłać maile, głównie na skrzynki pracowników wydziałów fizyki, choć podczas wirtualnego obchodu odwiedziłem także kilku chemików kwantowych oraz filozofów przyrody, potencjalnie również zainteresowanych tematem. Postawione pytanie miało charakter otwarty. Niezdecydowanym pozwalałem na dokonanie wielokrotnego wyboru, a każdemu chętnemu na dowolnie szerokie uargumentowanie swojego stanowiska (z uzasadnieniami możecie zapoznać się w osobnym suplemencie).


Interpretacje mechaniki kwantowej preferowane wśród polskich naukowców

Pewna część adresatów w ogóle nie odpowiedziała, wielu uczciwie przyznało, że problematyka interpretacji kwantowych jest im obojętna, albo zbyt słabo znana, aby odważyli się dokonać wyboru. Ostatecznie uzyskałem 31 wiążących deklaracji – liczba niewielka, ale zbliżona do grupy testowanej przez Zeilingera. Co istotne dla mnie, każdy z głosów został udzielony przez osobę obytą z tematem; jeśli nie eksperta w dziedzinie ścisłej fizyki kwantowej, to przynajmniej naukowca szeroko zainteresowanego istotą subatomowej rzeczywistości.

Proces spływania odpowiedzi trwał, ale wreszcie, pół roku od posłania pierwszego maila jestem gotowy do przedstawienia wyników. Na marginesie chciałbym zauważyć, że nadarzyła się ku temu wymarzona okazja. 14 grudnia 1900 roku Max Planck ogłosił przełomową koncepcję emisji i absorpcji światła; co oznacza, że publikuję ten tekst dokładnie w przeddzień umownej 120. rocznicy narodzin teorii kwantów. Ale nie przedłużając, rzućmy okiem na wyniki oraz spróbujmy sklecić kilka konkluzji.

Wykres: preferowane interpretacje mechaniki kwantowej

Wniosek 1: ilu naukowców, tyle opinii

Jak widać, wśród 31 odpowiedzi padły nazwy aż dziewięciu różnych interpretacji. Niektóre są bardzo egzotyczne, inne możemy uznać ledwie za wariacje lub rozwinięcia starszych pomysłów. Nie zmienia to faktu, że mamy do czynienia z szeroką gamą sposobów patrzenia na kwantowe fenomeny. Nie licząc fali pilotującej de Broglie’a-Bohma (zdroworozsądkowej, ale często uważanej za eksperymentalnie zdyskredytowaną), każda z propozycji funkcjonujących gdzieś w dyskursie, znalazła przynajmniej jednego reprezentanta.

Dla zagubionych zamieszczam charakterystyki wybieranych interpretacji w telegraficznym skrócie (dodaję również odsyłacze prowadzące do odpowiednich artykułów na blogu):

Dekoherencja środowiskowa / darwinizm kwantowy Żurka. Opisuje proces wyłaniania się rzeczywistości klasycznej ze świata kwantowego. Kładzie szczególny nacisk na znaczenie środowiska, w którym zanurzony jest układ i powielanie, czy też kopiowanie stanów kwantowych.
Fala pilotująca de Broglie’a-Bohma. Najbardziej znany przykład tzw. teorii zmiennych ukrytych. Zakłada, że każdej punktowej cząstce towarzyszy realna fizycznie fala, która pilotuje tę cząstkę po określonej trajektorii.
Kopenhaska tradycyjnie przypisywana Bohrowi i Heisenbergowi. Najbardziej konwencjonalna, nierzadko sprowadzana do hasła “zamknij się i licz” – co bywa odczytywane zarówno jako kpina, jak i jako pochwała. Zależy kogo spytać.
Obiektywnego kolapsu / GRW. Przekonuje, że redukcja stanu układu kwantowego może nastąpić bez udziału jakiegokolwiek pomiaru czy obserwatora, w sposób spontaniczny. W wersji Penrose’a za impuls kolapsujący uważane jest zagięcie czasoprzestrzeni.
Relacyjna / RQM Rovelliego. Propozycja inspirowana rozwiązaniami znanymi ze szczególnej teorii względności; próbuje przeszczepić do fizyki kwantowej myślenie w ramach układów odniesienia.
Spójnych historii Griffithsa. Wynosi na piedestał kryterium spójności możliwych zdarzeń kwantowych. Bywa traktowana jako unowocześnienie interpretacji kopenhaskiej, chociaż odcina się od problemu kolapsu fali; ale jest również do pogodzenia z koncepcją kwantowego darwinizmu.
Statystyczna / zespołowa stworzona przez Borna przy początkowym wsparciu Einsteina. Stwierdza, że myślenie o zjawiskach kwantowych przynosi najlepsze efekty, gdy darujemy sobie jednostkowe pomiary i skupimy się na szerszych układach. Jej postulaty wchłonęła z grubsza szkoła kopenhaska.
Świadomościowa von Neumanna–Wignera. Nie mająca oparcia we współczesnych badaniach koncepcja, dopuszczająca możliwość, jakoby kolaps zachodził wyłącznie przy obecności świadomego obserwatora.
Transakcyjna zaproponowana przez Cramera. Postuluje, że obiekty kwantowe nie tylko pozostają nielokalne, ale również w bardzo osobliwy sposób traktują czas. Fale prawdopodobieństwa podróżują w przyszłość, ale i w przeszłość, wchodząc ze sobą w interakcję i przyklepując “transakcję”.
Wieloświatowa zapoczątkowana przez Everetta. Zgodnie z nią, za każdym razem gdy układ kwantowy staje w obliczu wyboru jednej z kilku możliwości, wszechświat ulega rozszczepieniu na liczbę rzeczywistości odpowiadającą liczbie dostępnych opcji.

Wniosek 2: Kopenhaga pozostaje stolicą, ale…

Mimo wyraźnego pluralizmu, zdecydowanie najczęściej padającą odpowiedzią była, rzecz jasna, interpretacja kopenhaska. Ankietowani podkreślali uniwersalny pragmatyzm tradycyjnie wiązany z ideą Bohra. Odnotowałem przy tym pewną regułę, potwierdzającą obecne w części literatury stereotypy: pod szkołą kopenhaską podpisywali się przede wszystkim doświadczalnicy, jak również osoby stroniące od “filozofowania”. Jeden z naukowców przyznał: “Nie jestem specjalistą w tej dziedzinie, więc pewnie można mnie przypisać do interpretacji kopenhaskiej”. Kilku uzasadniło wybór tym, że po prostu “tak ich uczono”. Teoretycy gotowi do gruntownego dowodzenia wyższości rozumowania kopenhaskiego nad konkurencją, stanowili w tym przypadku mniejszość.

Wykres: przywiązanie do interpretacji kopenhaskiej

Można spojrzeć na wyniki również od innej strony. Tak, pozycja poglądów kopenhaskich wydaje się niepodważalna, jednak mimo to, więcej niż co drugi badany wskazywał na inne opcje. Skoro ponad połowa uczonych nie ustaje w poszukiwaniach alternatywy, jesteśmy bardzo daleko od ewentualnego konsensusu. Co więcej, pięciu specjalistów nie podpisało się pod żadną z funkcjonujących współcześnie interpretacji. Reprezentują oni albo własne, specyficzne poglądy na działanie mikroświata, albo uważają, że właściwa interpretacja dopiero czeka na opracowanie.

Wniosek 3: interpretatorzy ugrzęźli

Zdumiewa fakt, jak mocno powyższe liczby pokrywają się z wynikami uzyskanymi w 2011 roku przez Zeilingera. Interpretacja kopenhaska w obu ankietach zdobyła identyczne (!) 42-procentowe poparcie. W obu przypadkach, wśród opcji “niestandardowych” kilka głosów zgarnął wieloświat, podczas gdy fale pilotujące nie znalazły nawet jednego zwolennika. Wreszcie, tu i tam nie zabrakło osób rozczarowanych dotychczasowymi staraniami i kontestujących wszystkie dyskutowane interpretacje. Kwantowa moda panująca na polskich uczelniach ewidentnie nie odbiega od trendów zachodnioeuropejskich.

Pokuszę się również o bardziej ogólny wniosek, oparty o dane z obu ankiet, ale również przeciętną zawartość książek poruszających omawiane zagadnienia. Można mianowicie odnieść wrażenie, że rynek kwantowych interpretacji mocno skostniał. Najmłodszą propozycją (wybraną przez dwóch ankietowanych) okazał się model RQM sformułowany przez Carlo Rovelliego w 1994 roku. Przygniatająca większość uczonych – tak w kraju, jak i za granicą – szuka ukojenia w konserwatywnym podejściu szkoły kopenhaskiej lub niewiele młodszej, 65-letniej wizji multiświata.

Aspirujący interpretatorzy mają przed sobą arcytrudne zadanie. Z jednej strony muszą oni skruszyć mur podejrzliwości zniecierpliwionych kolegów po fachu, z drugiej natomiast wyróżnić się na tle tłumu rywali. Może trochę potrwać zanim doczekamy się publikacji będącej w stanie sprostać tym kryteriom.


Interpretacja to nie wszystko

Czy powyższe wyniki mogą stanowić argument wspierający albo dyskredytujący, którąś z interpretacji? Pewnie mogą, ale nie powinny. Jedyne co nie ulega wątpliwości, to matematyczny formalizm fizyki kwantowej. Zimne równania, które w tak niewiarygodnie dokładny sposób opisują zachowania cząstek i atomów. Z interpretacjami sprawa jest bardziej złożona. Za każdą możliwością stoją słuszne argumenty, każda ma swoją piętę achillesową, ale za żadną nie przemawiają solidne dowody empiryczne. Oznacza to, że mimo upływu lat wybór preferowanego sposobu myślenia o świecie subatomowym, w dużej mierze wciąż pozostaje kwestią gustu, intuicji, może nawet poczucia estetyki.

Takie ankiety pozwalają jedynie rozeznać się w panujących tendencjach. Przypominają także o niezwykłości mechaniki kwantowej. Precyzyjnej teorii, którą niczym poemat, paradoksalnie wciąż można odczytywać na dziesiątki odmiennych sposobów.

PS Kilku naukowców, z którymi korespondowałem bardzo poważnie potraktowało moje pytanie i szeroko argumentowało swoje stanowisko. Byłoby wielką szkodą tego nie wykorzystać, dlatego w ciągu kilku dni opublikuję suplement zawierający najciekawsze fragmenty.
PPS Nie wszyscy uczeni życzyli sobie, aby publicznie obwieszczać ich wybór, więc tylko zbiorczo wymienię nazwiska ankietowanych: Michał Bejger (CAMK), Iwo Białynicki-Birula (UW, PAN), Bogusław Broda (UŁ), Arkadiusz Bubak (UŚ), Tomasz Cap (NCBJ), Jan Chwedeńczuk (UW), Marek Czachor (PG), Marcin Czapla (UG), Bogdan Dembiński (UŚ), Maciej Dombrowski (UWr), Ryszard Drozdowski (UG), Michał Gawełczyk (PWr), Jacek Gruca (UG), Andrzej Grudka (UAM), Andrzej Góźdź (UMCS), Zbigniew Hajduk (PAN), Andrzej Indrzejczak (UŁ), Jędrzej Kaniewski (UW), Jan Kołodyński (UW), Jan Królikowski (UW), Sławomir Leciejewski (UAM), Andrzej Łukasik (UMCS), Krzysztof Maślanka (PAN), Grzegorz Michałek (PAN), Leszek Motyka (UJ), Mariusz Pawlak (UMK), Piotr Skurski (UŁ), Marek Woszczek (UAM). Wszystkim zacnym naukowcom, którzy znaleźli czas, aby jakkolwiek odpowiedzieć na moje pytanie, oczywiście serdecznie dziękuję.
* Wyniki uzyskane w Austrii prezentowały się następująco. Niemal połowa, bo 42% obecnych ekspertów podpisała się bezpośrednio pod postulatami klasycznej szkoły kopenhaskiej. Kolejne 30% wyraziło sympatię do jej intelektualnego potomstwa, pod postacią kwantowej teorii informacji i Bayesianizmu. Tylko pojedyncze osoby postawiły na interpretację wieloświatową (18%), obiektywnego kolapsu (9%) oraz relacyjną (6%), natomiast nikt nie wstawił się za interpretacją transakcyjną, statystyczną, spójnych historii, czy teoriami zmiennych ukrytych. Znaczący był również fakt, że prawie 1/4 badanych zaznaczyła opcje inne lub nie posiadam ulubionej interpretacji. (Na wypadek, gdyby ktoś miał wątpliwości: ankieta pozwalała na wielokrotny wybór).
Gdy czas był przestrzenią: Model Hawkinga-Hartle’a Kwantowe interpretacje: czasowa transakcja Cramera Żyjemy w pogiętej galaktyce – rozmowa z Dorotą Skowron