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).
Total
1
Shares