Tytuł oryginału

TALES OF THE QUANTUM

Copyright © Oxford University Press 2017

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8169-515-2

Warszawa 2018

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Gintrowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla mojego brata, Richarda Hobsona

PRZEDMOWA

W okresie wczesnej młodości moimi najbardziej niezawodnymi przyjaciółmi były opowieści zawarte w książkach, poczynając od dr. Seussa przez serię Hardy Boys po Tomka Sawyera. Z fizyką zetknąłem się wiele lat później, po uzyskaniu licencjatu w dziedzinie muzyki i odbyciu służby wojskowej. Studiując fizykę na Uniwersytecie Stanu Kansas w mieście Manhattan, byłem zachwycony tym, że wiele z tego, co poznawałem z podręczników i na wykładach, okazywało się fascynującymi, często dziwnymi, lecz zawsze poszerzającymi horyzonty opowieściami. Teraz poznawałem jednak prawdziwe opowieści o świecie natury, który coraz mocniej mnie intrygował. Objaśnienie sił działających na lecący samolot, elegancki dowód, że Ziemia porusza się wokół Słońca po orbicie eliptycznej, albo omówienie słynnego eksperymentu demonstrującego falową naturę światła – wszystko to były fascynujące przygody umysłu. Pięćdziesiąt pięć lat później moja miłość do natury wciąż jest równie silna.

Niniejsza książka opowiada o naszym kwantowym Wszechświecie w sposób zrozumiały dla każdego, bez odwoływania się do matematyki lub fachowych terminów. Moim protagonistą jest kwant, bez wątpienia najważniejszy aktor na kosmicznej scenie. Większość autorów popularnonaukowych książek o fizyce kwantowej buduje swoją opowieść wokół historii nauki, natomiast ja, tworząc Kwanty dla każdego, skupiłem się na zjawiskach – piszę o dualizmie korpuskularno-falowym, losowości leżącej u podstaw wszystkiego, znajdowaniu się jednocześnie w dwóch różnych miejscach, przeskokach kwantowych – żeby wymienić tylko kilka przykładów. Przywołuję wydarzenia historyczne i postaci ludzi nauki tylko w stopniu niezbędnym do naświetlenia zjawisk. Mam jednak szczerą nadzieję, iż Kwanty dla każdego cechuje narracja, która wciągnie na równi osoby niezajmujące się nauką zawodowo, jak i naukowców. Książkę tę pisałem z myślą o czytelniku, który chciałby lepiej pojąć mechanizmy działania Wszechświata, zanim przyjdzie mu opuścić ten padół łez.

Główne przesłanie Kwantów dla każdego brzmi: fizyka kwantowa ma się dobrze w takiej postaci, w jakiej funkcjonuje. Od lat dwudziestych XX wieku aż do dzisiaj radykalna natura tej teorii prowokowała wielu uczonych, w tym Alberta Einsteina, do poszukiwania skazy w tej czy innej kwantowej koncepcji, a potem podjęcia próby jej naprawienia. Fizyka kwantowa jednak nie potrzebuje naprawy. Teoria może wydawać się dziwna, ale nie jest zagadką. Przekonamy się, że mieszczące się w jej ramach wszystkie rzekome paradoksy mają rozwiązanie i da się je w spójny sposób objaśnić w zwykłym języku, bez sięgania po algebrę, techniczny żargon lub moce nadprzyrodzone.

Najbardziej oryginalny fragment tej książki stanowi sugerowane rozwiązanie problemu pomiaru w mechanice kwantowej, nazywanego inaczej paradoksem kota Schrödingera. W rozdziale 10 formułuję tezę, iż rozwiązanie wyłania się z sugestii sformułowanej po raz pierwszy w 1968 roku, pewnej wskazówki, którą od tamtej pory na nowo odkrywało wielu fizyków, łącznie ze mną. Wychodząc z tej przesłanki, na podstawie moich własnych dociekań wykazuję, że słynny kot Schrödingera nie jest wcale bulwersującą „kwantową superpozycją” żywego i martwego zwierzaka, jak się z początku wydaje, lecz zamiast tego całkowicie nieparadoksalną „superpozycją korelacji” – objaśniam to właśnie w rozdziale 10. W moim przekonaniu jedyną istotną kwestią, podstawową dla fizyki kwantowej i nadal podlegającą dyskusji, pozostaje zagadnienie pomiaru. Niektórzy uważają ją za wciąż nierozwiązaną, inni określają jako rozwiązaną, a jeszcze inni widzą w niej problem tylko pozorny, który w ogóle nie wymaga rozwiązywania. Kwestia ta jednak dzieli ekspertów i już sama jej nazwa sprawia kłopot. Używając określenia problem pomiaru, sugerujemy, iż podstawy teorii kwantowej mają coś wspólnego z istotami ludzkimi, które dokonują naukowych pomiarów, przez co niektórzy dochodzą do wniosku, że po raz pierwszy od czasów Kopernika fizyka kwantowa na powrót umieszcza ludzki umysł w samym sercu fizyki. Z pełną powagą formułowano nawet myśl, że do wyłonienia się z kwantowego świata normalnej fizycznej rzeczywistości potrzebna jest ludzka świadomość.

Prace Wojciecha Żurka i wielu innych, choć nie doprowadziły do pełnego rozwiązania problemu pomiaru, w jasny sposób pokazały, że pomiary rzeczywiście stanowią element kluczowy w zrozumieniu tego, jak fizyka kwantowa prowadzi do świata naszych codziennych doświadczeń. Te tak zwane pomiary nie muszą jednak mieć nic wspólnego z człowiekiem – są przeprowadzane nieustannie, jak Wszechświat długi i szeroki, przez środowisko. Ludzka świadomość nie odgrywa żadnej zasadniczej roli w kształtowaniu podstaw fizyki kwantowej.

Kolejną charakterystyczną cechą tej książki jest ujęcie słynnego zagadnienia dualizmu korpuskularno-falowego. Czy Wszechświat zbudowany jest z fal rozchodzących się w wypełniających przestrzeń „polach”, czy też z malutkich cząstek, a może z jednego i drugiego? Zgodnie z tytułem mojego artykułu opublikowanego w 2013 roku w „American Journal of Physics”, nie ma cząstek, są tylko pola. Wszechświat w całości zbudowany jest z pól, takich jak pole grawitacyjne Ziemi i pole magnetyczne, z którym zapewne zetknęliście się w trakcie zabawy z magnesami. Z godnym uwagi wyjątkiem Richarda Feynmana większość teoretyków pól kwantowych – fizyków, którzy zajmują się łączeniem fizyki kwantowej z teorią względności Einsteina – przyjęła ten punkt widzenia, ale jakimś sposobem podejście to nie dotarło do szerszych kręgów fizyków, naukowców innych specjalności i opinii publicznej.

Poza kilkoma liczbami Kwanty dla każdego nie zawierają matematyki. Fizyk i matematyk Paul Dirac stwierdził: „Matematyka jest jedynie narzędziem i powinniśmy się nauczyć pielęgnować idee fizyczne we własnym umyśle, bez nadawania im formy matematycznej”1. Niektórzy fizycy są jednak przekonani, że jakakolwiek prezentacja fizyki kwantowej musi mieć formę matematyczną, przez co nie może być zrozumiała dla laików, a jednocześnie ujęcie popularyzatorskie, zrozumiałe dla większego grona odbiorców, musi być nieadekwatne. Stanowczo się temu sprzeciwiam! Na poparcie mojego sprzeciwu mogę przywołać mnóstwo dobrych książek o fizyce, które zostały napisane językiem zrozumiałym dla laików, dalekim od technicznego żargonu i naukowego stylu. Dzieła takie jak klasyczna pozycja Alberta Einsteina i Leopolda Infelda, Ewolucja fizyki: rozwój poglądów od najdawniejszych pojęć do teorii względności i kwantów (Prószyński i S-ka, Warszawa 1998), Briana Greene’a Piękno Wszechświata: superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej (Prószyński i S-ka, Warszawa 2001) i Louisy Gilder The Age of Entanglement: When Quantum Physics Was Reborn (Wiek splątania: gdy narodziła się fizyka kwantowa) (Alfred A. Knopf, Nowy Jork 2008) pokazują, że można adekwatnie objaśniać fizykę, w tym fizykę kwantową, bez uciekania się do technicznego żargonu.

Chciałem napisać książkę, która zainteresuje i laików, i naukowców, toteż wiele szczegółów zawarłem w licznych przypisach, stanowiących dodatkowy komentarz i zawierających nieco pogłębioną analizę fachową. Przypisy te można pominąć, gdy czytelnikowi zależy na płynnej lekturze. Na końcu dołączony jest też obszerny słowniczek.

Co najmniej od czasów starożytnych Greków ludzie o inklinacjach filozoficznych pragnęli wiedzieć, z czego zbudowany jest Wszechświat. Co jest podstawowym tworzywem rzeczywistości i jak się ono zachowuje? Jedna z popularnych odpowiedzi, iż tworzywem tym są atomy, okazała się przestarzała i niepoprawna. Od kilkudziesięciu lat wiemy już, że większa część Wszechświata wcale nie jest złożona z atomów. Atomy i wszystko inne zbudowane jest z jeszcze bardziej podstawowych i bardziej intrygujących elementów. Nazywając rzeczy po imieniu, powiedzielibyśmy – z „pól”, które upakowywane są w „kwantach”. Punktem wyjścia książki są właśnie te dwa kluczowe pojęcia: pola i kwanty. Można się do nich przyzwyczaić, można również uchwycić ich sens. W odniesieniu do kwantu, niczym w stosunku do ekscentrycznego przyjaciela, potrzeba odrobiny czasu, aby dobrze go zrozumieć. Kwanty dla każdego umożliwiają poznanie tego nowego przyjaciela, ukazując naszego bohatera w sposób bardziej ogólny w rozdziałach od 1 do 5, a potem skupiając się na szczegółach w rozdziałach od 6 do 11.

Kiedy w 1958 roku Wolfgang Pauli przedstawił na Uniwersytecie Columbia nową teorię kwantową cząstek elementarnych, Niels Bohr – jeden z ojców założycieli fizyki kwantowej – podszedł do niego i powiedział: „Wszyscy zgadzamy się co do tego, że pańska teoria jest szalona. Dzieli nas jedynie wątpliwość, czy jest dostatecznie szalona, aby miała szansę być poprawna”2. Natura jest znacznie bardziej pomysłowa, niż człowiek może sobie wyobrazić, i świat mikroskopowy nie jest taki, jak Niels Bohr czy ktokolwiek inny mógł przypuszczać. Fizyka kwantowa rzeczywiście jest dziwna. Niektórzy odrzucili pewne jej aspekty właśnie z powodu tej dziwności, jednak sama dziwność nie jest wystarczająco mocnym argumentem za odrzuceniem teorii naukowej.

Współcześni fizycy też muszą się do niej przyzwyczajać. Albert Einstein po wysłuchaniu w 1927 roku wykładu Wernera Heisenberga na temat odkrytej przez niego zasady nieoznaczoności powiedział: „Niezwykłe, jakież to pomysły przychodzą do głowy młodym ludziom w tych czasach. Ja jednak nie wierzę w ani jedno słowo”3. Człowiek poznający współczesną fizykę znajduje się trochę w sytuacji noworodka po raz pierwszy stykającego się ze światem poza łonem matki. Nie tego się spodziewał, ale jeśli zachowa otwarty umysł, może się w tym wszystkim połapać.

Praca nad tą książką pozwoliła mi docenić fizykę kwantową jako zbiór najbardziej fascynujących idei naukowych, z jakimi kiedykolwiek miałem szansę się zetknąć. Mam nadzieję, że lektura Kwantów dla każdego dostarczy czytelnikom równie dużo przyjemności, ile ja doznałem w trakcie jej pisania.

1 Paul Dirac, Quantum Mechanics, t. 4, Oxford University Press, Oksford 1958, s. vii.

2 Freeman J. Dyson, Innovation in Physics, „Scientific American” 1998, nr 199, s. 74–82.

3 Alan Mackay, A Dictionary of Scientific Quotations, IOP Publishing, Londyn 1991, s. 83.

Rozdział 1

Wprowadzenie

Opowieść o kwancie w szybie

W szczególności teoria kwantowa jest najbardziej inspirującą zmianą światopoglądu od czasów starożytnych Greków, którzy porzucili mitologię i rozpoczęli poszukiwania racjonalnego objaśnienia Wszechświata.

Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla

i emerytowany dyrektor Fermilabu,

oraz Christopher Hill w książce Zrozumieć niepojęte

Okno wystawowe sklepu skrywało tego sobotniego ranka więcej tajemnic, niż Alicja mogła się spodziewać. Rynek starego miasta w Fayetteville tonął w powodzi wiosennych kwiatów, targowisko aż kipiało od bukietów, produktów żywnościowych, obrazów, wytworów rzemiosła artystycznego, muzyki, rozmów, psów i ludzi zapełniających chodniki okolicznych ulic. Alicja szła powoli Block Avenue, robiąc zakupy i popijając kawę z ulicznej budki. W taflach szyb wystawowych dostrzegała swoje odbicie. Mogła wykorzystać wiedzę świeżo nabytą na kursie fizyki dla osób niezajmujących się nauką zawodowo, na który uczęszczała na pobliskim Uniwersytecie Stanu Arkansas – rozumiała, że aby mogła zobaczyć siebie w szybie, odbite od jej ciała światło słoneczne musiało dotrzeć do okna, odbić się od szyby i przebyć drogę do jej oka. Jednak było w tym coś jeszcze.

Alicja pomachała do znajdującego się wewnątrz przyjaciela, Boba, zatrudnionego w sklepie na stanowisku ekspedienta. Bob zrewanżował się takim samym gestem. To oczywiście nie uszło uwadze Alicji, toteż pomyślała, że szyba nie tylko odbija obraz jej własnej postaci, ale przepuszcza go też do wnętrza sklepu. Musiały więc istnieć dwa obrazy, jeden odbity, drugi przepuszczony przez szybę.

Oto pożywka dla umysłu, zwłaszcza gdy ktoś przystanie i zastanowi się nad tym, że – zgodnie z tym, co wyjaśniam na kolejnych stronach książki – całe światło i wszystko inne zdaje się zbudowane z malutkich, zunifikowanych porcji energii. Nazwijmy je kwantami. To główni bohaterowie tej książki. Nasze rozważania na temat tego, co przytrafiło się Alicji owego ranka na rynku, stanowią okazję do przeprowadzenia szybkiego przeglądu kilku podstawowych zasad, dających wyobrażenie o kwantowym świecie. Pewne szczegóły mogą na razie wydać się nieuchwytne, ale wrócę do nich później, nie ma więc powodu do zmartwień.

Światło, które przenosi obraz Alicji, emitowane jest w wyniku szybkich zmian pola elektromagnetycznego, podobnego do dobrze znanego pola magnetycznego, jakie otacza każdy magnes i wywiera oddziaływanie na pobliskie obiekty z żelaza. Wyraz pole, zastosowany przez fizyków, rozumiany jest w tym kontekście podobnie do zwykłego znaczenia w określeniach takich jak „pole karne” w piłce nożnej albo „pole kukurydzy”. Precyzyjniejszą definicję tego ważnego słowa podam nieco później, na razie przyjmijmy, że pole to obszar przestrzeni, który ma pewne określone właściwości fizyczne. Pole elektromagnetyczne wypełnia przestrzeń, tak jak dym papierosowy wypełnia pokój. Jest jednym z kilku skwantowanych pól Wszechświata – termin ten oznacza, że energia pola występuje w formie wysoce jednolitych porcji lub kwantów, z których każdy przenosi kwant (z łaciny quantus, czyli „dawka”) energii. W przypadku światła kwanty te nazywamy fotonami. Tak więc światło przenoszące obraz Alicji składa się z zylionów (moje określenie na absurdalnie ogromną liczbę) fotonów.

Ilustracja 1.1 Interferometr Macha–Zehndera. Długość toru każdej z dwóch wiązek poruszających się między płytkami półprzepuszczalnymi może być zmieniana, na przykład w wyniku drobnych korekt położenia zwierciadeł. Za pomocą tego prostego aparatu można zademonstrować większość charakterystycznych zjawisk kwantowych.

Kluczową cechą kwantów jest to, że są one niepodzielne4. Skoro więc zarówno Alicja, jak i Bob widzą obraz Alicji, część z ogółu fotonów musi być rejestrowana przez Boba we wnętrzu sklepu, pozostałe zaś rejestrowane są przez Alicję na chodniku przed sklepem. O tym, jaki ułamek ogółu fotonów rejestrowany jest we wnętrzu sklepu, a jaki na chodniku, decydują – jak zapewne słusznie się spodziewacie – właściwości szklanej szyby.

Jest w tym jednak coś osobliwego: co się dzieje, gdy do szyby dociera dany foton? Ponieważ nie może rozdzielić się na dwa kawałki, musi być zarejestrowany albo przez Alicję (jest fotonem odbitym od szyby), albo przez Boba (okazuje się fotonem, który przechodzi na drugą stronę szyby). Co decyduje, którą drogą podąży dany kwant? Odpowiedź jest zaskakująca: nic o tym nie decyduje. Charakter kwantu pociąga za sobą następującą konsekwencję, potwierdzoną przez eksperymenty: natura jest w fundamentalny sposób niedeterministyczna albo inaczej „losowa”. W precyzyjnych pomiarach doświadczalnych, w których światło lasera kierowane jest na częściowo przepuszczającą światło szklaną płytkę o wysokiej jakości wykonania, naukowcy mają pewność, że wszystkie fotony są identyczne, a płytka idealnie jednorodna. Skoro każdy foton napotyka takie same warunki, to należałoby się spodziewać, że wszystkie zachowają się tak samo, gdy dotrą do szklanej płytki. Tymczasem część z nich przechodzi na jej drugą stronę, podczas gdy inne się odbijają. Nikt nie wie, nawet sama natura, jaką drogę wybierze dany foton. U podstaw funkcjonowania natury leży całkowita losowość5.

Zanim nastał rok 1900, naukowcy sądzili, że jednakowe warunki prowadzą do identycznych wyników. Cóż, nieprawda. Natura sprzeciwia się tej wiarygodnej zasadzie, przewidywanej przez „fizykę klasyczną” i stosowanej od 1650 do 1900 roku, zgodnie z którą Wszechświat jest w pełni deterministyczny i zachowuje się przewidywalnie niczym precyzyjny zegar. Natura nie jest jednak podobna do zegara. Nie zna przyszłości, gdy aktywnie kreuje to, co w każdym momencie przytrafia się każdemu kwantowi we Wszechświecie.

* * *

Powyższe sformułowanie jest wystarczająco dziwne, aby sprowokować pytanie: skąd to wiemy? Takie pytanie zawsze jest znakomite. Stanowi podstawę w każdej dziedzinie nauki. Skąd to wiemy? Zasoby wiedzy naukowej, w szczególności dziwne stwierdzenia naukowe, muszą być poparte dowodami.

Oto dowód na losowość kwantową. Interferometr Macha–Zehndera (ilustracja 1.1) jest aparatem służącym do łączenia promieni świetlnych przechodzących przez zwierciadło i odbitych od zwierciadła. Na ilustracji płytka półprzepuszczalna 1 działa jak szyba wystawy sklepowej. Jest to szklana płytka, tu przedstawiona od strony krawędzi, która przepuszcza 50 procent padającego światła, a 50 procent odbija. Płytka nie jest ustawiona prostopadle do toru nadlatujących fotonów, ale pod kątem 45 stopni do niego, przez co odbite fotony kierowane są na tor 1, pionowo względem ich pierwotnego toru, podczas gdy te przechodzące poruszają się poziomo po torze 26. Długość każdego toru wynosi metr (m), może dwa, całość jest starannie przygotowana na stole laboratoryjnym. Zwierciadła kierują fotony do punktu, w którym wiązki się przecinają, gdzie eksperymentator, jeśli chce, może umieścić drugą płytkę półprzepuszczalną.

Załóżmy, że na wejściu do tego układu znajduje się jeden foton i nie ma drugiej płytki półprzepuszczalnej. Co się dzieje, gdy foton dociera do pierwszej płytki półprzepuszczalnej? Zostaje odbity, przechodzi, a może dzieje się jedno i drugie? Eksperyment pokazuje, że zawsze, czy to na detektorze 1, czy na detektorze 2, rejestrowany jest jeden cały foton. Detektory 1 i 2 mogą być oczami dwóch różnych obserwatorów7, mogą być też czujnikami laboratoryjnymi, które w momencie wykrycia światła emitują sygnał dźwiękowy lub informują o tym w dowolny inny sposób. Tak więc pod nieobecność drugiej płytki półprzepuszczalnej doświadczenie oddaje sytuację, gdy fotony odbijają się od szyby i Alicja widzi swoje odbicie, a inne fotony przechodzą przez szybę i Bob we wnętrzu sklepu widzi Alicję na chodniku. Doświadczenie potwierdza istnienie niepodzielnych kwantów, detektory bowiem zawsze rejestrują albo pojedynczy foton, albo nic, nigdy zaś nie wykrywają ułamka fotonu. Doświadczenie potwierdza też losowość kwantową: kiedy do układu wprowadzanych jest wiele fotonów (po lewej, u dołu), statystyka zliczeń staje się całkowicie przypadkowa – znaczy to, że poszczególne wyniki (foton pada na detektor 1 albo foton pada na detektor 2) są absolutnie nieprzewidywalne. Możemy siedzieć cały dzień i obserwować, jak detektory rejestrują fotony, ale i tak nie będziemy wiedzieć, gdzie trafi następny, choć przecież wszystkie cząstki są przygotowane w jednakowy sposób i znajdują się pod wpływem identycznych warunków.

Można mieć obiekcje co do tego, czy jedno doświadczenie pozwala jednoznacznie dowodzić, że tor, „którym podąża foton”, jest wybierany w sposób losowy. Może inna płytka półprzepuszczalna albo inny zestaw doświadczalny dałyby wyniki, które zdołalibyśmy przewidzieć. Takie wątpliwości są całkowicie zasadne. Tak naprawdę na podstawie doświadczeń nie można dowieść słuszności jakiejkolwiek ogólnej zasady w nauce, ponieważ opierając się na pojedynczych przypadkach, nie da się na gruncie logiki dowieść poprawności ogólnego stwierdzenia. Doświadczenie może jedynie „weryfikować” jakąś ogólną zasadę – potwierdzać jej słuszność, co nie znaczy, że będzie stanowić absolutny dowód jej poprawności. Tymczasem jedno przekonujące doświadczenie, którego wyniki przeczą ogólnej zasadzie, potrafi tę zasadę obalić. Nauka opiera się na podstawach, które są uzasadnione w świetle posiadanych dowodów. W rozdziale 6 przedstawiam dalsze dowody na charakteryzującą ten eksperyment całkowitą nieprzewidywalność.

Kiedy w zestawie pojawia się druga płytka półprzepuszczalna, dzieje się coś nowego. Druga płytka półprzepuszczalna miesza wiązki z obu ścieżek. Jeżeli foton znalazł się na ścieżce 1, zostanie (z prawdopodobieństwem równym 50 procent) przepuszczony do detektora 1 albo odbity do detektora 2; jeśli zaś znalazł się na ścieżce 2, zostanie (również z prawdopodobieństwem równym 50 procent) odbity do detektora 1 albo przepuszczony do detektora 2. Tak więc niezależnie od ścieżki ruchu foton rejestrowany jest albo przez detektor 1, albo przez detektor 2, z prawdopodobieństwem równym 50 procent dla każdej z dwóch opcji. Wobec tego detektory nie dostarczają teraz żadnej wskazówki co do toru ruchu fotonu. Matematyka fizyki kwantowej sugeruje, a natura to potwierdza, że zawsze gdy eksperyment nie dostarcza informacji na temat toru fotonu, ewentualnie jakiegokolwiek innego kwantu, foton wybiera jednocześnie wszystkie możliwe tory. Macie wrażenie, że brzmi to dziwnie? Jeśli tak, nie jesteście w tym odosobnieni.

Znaczy to, że każdy foton porusza się jednocześnie dwoma osobnymi torami! Trudno dać temu wiarę. Do układu wprowadzono tylko jeden foton, detektory zawsze rejestrują dokładnie jeden foton, a cząstki te nigdy nie ulegają podziałowi... mimo to mówię, że foton jest obecny na obu torach? Wolne żarty! Jakim sposobem może on się poruszać w dwóch różnych kierunkach, być jednocześnie w dwóch różnych miejscach?

Co więcej, to jednoczesne poruszanie się w dwóch różnych kierunkach musi zachodzić niezależnie od tego, czy w układzie jest obecna druga płytka półprzepuszczalna, czy też jej nie ma. Przecież docierając do pierwszej płytki, foton nie może „wiedzieć”, czy „nieco dalej” znajduje się druga płytka półprzepuszczalna. To oznacza, że w przykładzie z oknem wystawowym sklepu w Fayetteville wszystkie fotony poruszają się w obu kierunkach, do Alicji i do Boba, jednak jakimś sposobem każdy rejestrowany jest tylko przez jedno z nich, albo przez Alicję, albo przez Boba.

Gdybym już w tym momencie zaprezentował mocne dowody na poparcie tego, byłoby to niepedagogiczne. Dowody znajdą się w rozdziale 8. Krótkie fachowe uzasadnienie zawierają przypisy8.

To jednoczesne poruszanie się w dwóch kierunkach, nazywane superpozycją, zmusza nas do zakwestionowania idei, zaprezentowanej we wcześniejszym akapicie, iż światło składa się z jednakowych pakietów9. Może na pierwszej płytce półprzepuszczalnej każdy foton ulega rozłożeniu na dwie części, z których każda podąża swoim torem. Eksperyment dostarcza jednak dowodów przeciwko takiej sugestii. Gdyby na pierwszej płytce półprzepuszczalnej światło zwyczajnie dzieliło się na części podążające dwoma torami, to wówczas, pod nieobecność drugiej płytki półprzepuszczalnej, oba detektory powinny jednocześnie wyemitować sygnał. Problem w tym, że nigdy nie zdarza się, aby oba detektory jednocześnie wyemitowały sygnał, z czego wynika, iż w danej chwili w aparaturze znajduje się jeden obiekt, a nie dwa. Nie ma dowodu na to, by foton mógł ulec podziałowi.

Uwaga: choć fotony i inne kwanty trafiają do detektorów po jednym naraz, jak małe cząstki, to jednak nie są cząstkami. Przez całą książkę będziemy do tego wracać i przekonacie się, że wszystkie kwanty są obiektami rozciągłymi w przestrzeni, które czasami zachowują jak małe cząstki. Takie wyobrażenie fotonu pomoże nam zrozumieć, jakim sposobem może on jednocześnie poruszać się obydwiema ścieżkami w interferometrze: foton jest obiektem zajmującym duży obszar przestrzeni, podobnym do chmury dymu, rozpościerającym się na oba tory ruchu, zawsze gdy dwa tory są dostępne.

Jeżeli wydaje wam się to dziwaczne, skwapliwie się z taką oceną zgodzę. Ponieważ nauka zawsze usiłuje znaleźć najmniej dziwaczne wytłumaczenie zjawisk (zasada ekonomii myślenia, znana jako brzytwa Ockhama), trzeba było dziesięcioleci wypełnionych eksperymentami, dyskusjami i teoretyzowaniem, nim te dziwne wyobrażenia zyskały akceptację. Tak naprawdę do dzisiaj wciąż trwa dyskusja wokół pewnych podstawowych kwestii dotyczących fizyki kwantowej.

Na przykład Werner Heisenberg był sfrustrowany niezgodnym z intuicją i pozornie pełnym sprzeczności zachowaniem kwantowym. Pisał: „Pamiętam dyskusje z Bohrem, które ciągnęły się godzinami do późnej nocy i doprowadzały mnie niemal do rozpaczy. Kiedy na koniec szedłem do pobliskiego parku, aby zaczerpnąć powietrza, raz po raz powtarzałem w myślach to pytanie: czy natura naprawdę może być tak absurdalna, jak wynika to z tych eksperymentów na atomach?”. Przy innej okazji intensywna wymiana zdań z Bohrem doprowadziła Heisenberga do łez10.

Dziwne wyjaśnienia, takie jak przypisywanie pojedynczemu fotonowi zdolności jednoczesnego poruszania się po dwóch różnych torach, ostatecznie zostały zaakceptowane, ponieważ każde prostsze wyjaśnienie okazało się sprzeczne z dowodami doświadczalnymi. My, naukowcy, nie ścigamy się, kto wymyśli najdziwniejszą teorię. Często jednak materiał dowodowy i logika zmuszają nas do formułowania takich wniosków, nawet jeśli proces może okazać się bolesny i doprowadzi nas do łez.

* * *

W naszej opowieści nastąpi teraz kolejny szatański zwrot. Opisane tu zachowanie dotyczy nie tylko światła, lecz także wszystkiego, co znamy, z ciałami materialnymi włącznie – ciałami, które w przeciwieństwie do światła mają masę. Pomyślcie na przykład o atomach – najmniejszych elementach składowych pierwiastków chemicznych zachowujących właściwości pierwiastka (atom żelaza jest najmniejszą częścią żelaza, która wciąż zachowuje się jak żelazo). W przeciwieństwie do fotonów atomy i cząsteczki (grupy połączonych atomów) są obiektami materialnymi. Tymczasem mają w repertuarze te same sztuczki co fotony – dotyczą ich superpozycja i fundamentalna losowość. Właściwie należałoby stwierdzić, że fizyka kwantowa stosuje się również do obiektów makroskopowych (widzialnych bez konieczności sięgania po mikroskop), aczkolwiek wytworzenie efektów kwantowych, które w przypadku tak dużych ciał dałoby się zaobserwować, jest szalenie trudne11. Jak dotąd, zgodnie z naszą wiedzą, wszystko podlega fizyce kwantowej.

Obiekty materialne wokół nas złożone są z zylionów atomów. Każdy atom ma w samym środku naprawdę malutkie jądro, w pobliżu którego znajdują się bardzo małe, naprawdę bardzo małe elektrony, a jądra składają się z cząstek nazywanych protonami i neutronami. Z powodu podobieństwa do Słońca i krążących wokół niego planet ten uproszczony obraz struktury atomowej znany jest jako model planetarny atomu (określenie „model” rozumiane jest jako uproszczone objaśnienie). Atomy spajane są oddziaływaniem elektrycznym – każdy proton przenosi „ładunek dodatni”, każdy elektron „ładunek ujemny”, a ładunki elektryczne przeciwnego znaku się przyciągają. Tak więc jądro atomu przyciąga elektrony i utrzymuje te cząstki w swoim sąsiedztwie. Neutrony nie przenoszą ładunku elektrycznego (to znaczy, że są elektrycznie obojętne).

Powiem to jeszcze raz. O ile nam wiadomo, wszystkie te ciała fizyczne – elektrony, protony, neutrony, jądra atomów, atomy, cząsteczki, a nawet piłki baseballowe i stoły, wszystkie te ciała, tak jak światło, podlegają zasadom fizyki kwantowej.

Najbardziej podstawową kwantową cechą światła i innych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego jest to, że jest dzielone lub kwantowane na pojedyncze pakiety nazywane fotonami. Materia również jest skwantowana. Istnieje kilka rodzajów kwantów materii. Słyszeliście o niektórych z nich: elektrony, protony, atomy i cząsteczki. Ponieważ wszyscy pamiętamy, że materia zbudowana jest z atomów, pojęcie jej kwantowania nie powinno zaskakiwać. Zaskakujące jest to, że wspomniane kwanty materii podporządkowane są tym samym dziwacznym zasadom, które omówiliśmy dla fotonów.

Na przykład Antonowi Zeilingerowi, fizykowi z Uniwersytetu Wiedeńskiego, udało się wymusić stan superpozycji jednoczesnego ruchu po dwóch różnych torach dla cząsteczek złożonych z 60 i więcej atomów węgla, jak robiły to fotony w interferometrze Macha–Zehndera. Według atomowych standardów taka cząsteczka jest już bryłą materii pokaźnych rozmiarów. Każdy z tworzących ją sześćdziesięciu atomów zawiera sześć protonów, sześć neutronów i sześć elektronów, co łącznie daje ponad tysiąc subatomowych kwantów. Zdumiewające, że tak duży i złożony obiekt potrafi wykonać sztuczkę z jednoczesną obecnością w dwóch różnych miejscach. W końcu naukowcom nigdy nie udało się zaobserwować, aby piłka baseballowa lub choćby najmniejszy pyłek kurzu znajdowały się jednocześnie w dwóch różnych miejscach. Tymczasem w świecie mikroskopowym zachodzi to regularnie i fizyka kwantowa przewiduje, iż nawet w przypadku obiektu o rozmiarach piłki baseballowej może do tego dojść, choć taki eksperyment napotyka ogromne trudności. W rozdziale 8 poznamy ciało fizyczne dostatecznie duże, aby można je było dojrzeć (ledwie) gołym okiem, które udało się wprowadzić w stan superpozycji jednoczesnego ruchu dwoma różnymi torami – największa kwantowa superpozycja, jaką kiedykolwiek udało się osiągnąć.

Istnieje proste, aczkolwiek zaskakujące objaśnienie tego dziwnego zjawiska (szczegóły w rozdziale 5). Rzeczywistość tworzona jest przez fale rozchodzące się w niewidzialnych polach. Kwanty, tak jak fotony, elektrony, atomy i cząsteczki, nie są „ciałami”, lecz falami rozchodzącymi się w polach, podobnymi do zmarszczek na powierzchni wody, które są w istocie falą na wodzie. Superpozycja jest dla fal czymś powszechnym. Jako klasyczną (czyli nie kwantową) analogię wyobraźcie sobie niezmąconą powierzchnię stawu, której wschodnią połówkę pokrywa cienka warstwa ropy naftowej, podczas gdy zachodnia połówka jest czysta. Do zachodniej połówki wrzucamy nieduży kamień, co skutkuje powstaniem fal na powierzchni stawu, rozchodzących się we wszystkich kierunkach od miejsca zetknięcia się kamienia z wodą (zwróćcie uwagę, że fale na wodzie nie są zjawiskiem kwantowym – to zjawisko fizyki klasycznej, które, tak się składa, odzwierciedla pewne aspekty funkcjonowania kwantów). Prawdopodobnie nie bylibyście zaskoczeni, gdyby fale częściowo odbiły się od granicy wyznaczanej przez plamę ropy naftowej i wróciły na zachodnią stronę, podczas gdy druga ich część przekroczyłaby granicę i kontynuowałaby rozprzestrzenianie się w kierunku wschodnim. Pierwotna zmarszczka na wodzie jest teraz dwiema zmarszczkami, w dwóch różnych miejscach. Takie rzeczy dzieją się z falami nieustannie i nie jest to dla nas zaskakujące ani nie uważamy, że jest sprzeczne z intuicją, gdy uświadomimy sobie, iż mówimy o fali na wodzie.

Nasz eksperyment z interferometrem właśnie tak przebiega. Każdy foton (myślcie o nim jak o zmarszczce) od spotkania z płytką półprzepuszczalną numer 1 zaczyna się poruszać obydwoma dostępnymi torami. Rzeczywiście zaskakująca jest pewna wyjątkowo kwantowa własność: otóż nasze zmarszczki, w przeciwieństwie do tych na wodzie, pozostają pojedynczym fotonem, ale w dwóch miejscach. W wodzie pierwotny pakiet zmarszczek wytwarza dwa pakiety zmarszczek przemieszczających się w dwóch różnych kierunkach, co mogą potwierdzić obserwatorzy znajdujący się po obu stronach stawu, wschodniej i zachodniej. Tymczasem w eksperymencie z interferometrem zawsze wykrywamy tylko jeden foton, nigdy dwa. Foton jest pojedynczym bytem, który naprawdę może znajdować się jednocześnie w dwóch miejscach.

Materia zachowuje się w ten sam sposób. Materialna cząsteczka również jest falą rozchodzącą się w polu i może znajdować się jednocześnie w dwóch miejscach. Tak naprawdę zasadniczo każde ciało fizyczne może znajdować się równocześnie w dwóch miejscach.

Jak widać, macie o czym myśleć, gdy następnym razem zatrzymacie się przed szybą wystawową.

Niezwykły kwant

Teoria kwantowa cechuje się zapewne największym zasięgiem, największą precyzją i największą opłacalnością ekonomiczną ze wszystkich teorii, jakie kiedykolwiek sformułowano.

O zasięgu oddziaływania teorii świadczy to, że choć fizyka kwantowa zajmuje się przede wszystkim małymi obiektami, takimi jak fotony i atomy, to wynikają z niej niezwykle ważne wnioski dotyczące obiektów tak wielkich jak sam Wszechświat. Fizycy zgadzają się co do tego, że ogólna teoria względności Einsteina prawidłowo opisuje ewolucję i strukturę Wszechświata w wielkiej skali, panuje też powszechna zgoda, iż struktura materii i energii w małej skali podlega prawom fizyki kwantowej. I tu pojawia się problem. Kiedy naukowcy stosują ogólną teorię względności do pewnych zjawisk obejmujących niewielkie obszary przestrzeni, natrafiają na oczywiste błędy związane z faktem, iż teoria ta nie zawiera zasad fizyki kwantowej.

Przykładem mogą być czarne dziury. Gwiazdy są zbudowane w większości z najprostszych rodzajów atomów, czyli atomów wodoru i helu. Energię potrzebną do wytwarzania ciepła i światła czerpią z reakcji syntezy jądrowej, w wyniku której wodór przekształca się w hel. Kiedyś jednak paliwo wodorowe się wyczerpuje, co prowadzi do agonii gwiazdy, która może przebiegać na kilka sposobów, zależnie od ogólnej masy (ciężaru) obiektu. To ostatnie stadium zawsze wiąże się z kolapsem, gdy pod wpływem własnego ciążenia gwiazda zostaje ściśnięta do niewielkiego ułamka pierwotnej objętości. W przypadku najmasywniejszych gwiazd kolaps prowadzi do powstania czarnej dziury, stanu, o którym ogólna teoria względności mówi, że gwiazda szybko zapada się do zerowej objętości. Czy „zero” oznacza tu zero absolutne? Owszem, tak przewiduje teoria.

Przewidywanie to stoi jednak w sprzeczności z założeniami fizyki kwantowej, która po zapadnięciu się gwiazdy do rozmiarów atomowych ma do powiedzenia wiele istotnych rzeczy. Tak więc fizycy próbują włączyć zasady fizyki kwantowej do ogólnej teorii względności. Jak możecie sobie wyobrazić, kiedy nauka musi się zmierzyć z dwiema tak potężnymi teoriami, jedną dostosowaną do skali kosmicznej i drugą do skali mikroskopowej, wysiłek zmierzający do ich połączenia skutkuje pojawieniem się niezwykłych teorii i spekulacji – teorii, w które nie zamierzam się tu zagłębiać.

Z podobną zagadką mamy do czynienia, gdy próbujemy snuć rozważania na temat początku Wszechświata. Wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu, kwantowego zdarzenia, do którego doszło 13,798 ± 0,037 miliarda lat temu. Poświatę pozostałą po tym burzliwym początku wciąż mogą wychwycić wyrafinowane przyrządy, które sięgają głęboko w otchłań kosmosu, a więc jednocześnie w odległą przeszłość (rejestrują światło, które liczy niemal 14 miliardów lat), aby wykryć docierające do Ziemi promieniowanie powstałe w Wielkim Wybuchu. Promieniowanie to wskazuje na fakt, że Wielki Wybuch zaczął się w obszarze o mikroskopijnych rozmiarach, w którym niepodzielnie rządzi fizyka kwantowa. Wielki Wybuch wiąże się jednak z powstaniem kolosalnych ilości materii i energii, toteż ogromną rolę odgrywają tu zasady ogólnej teorii względności. Znowu trzeba zmierzyć się z trudnym problemem, jakim jest połączenie ogólnej teorii względności z fizyką kwantową.

Fizycy są zgodni, że w przyszłości uda się opracować jedną, spójną teorię, która połączy ogólną teorię względności z fizyką kwantową. Przecież natura nie może sama sobie przeczyć na gruncie logiki, a obecnie tak właśnie wygląda sytuacja, ponieważ obie wspomniane teorie przeczą sobie, gdy zastosować je do zylionów czarnych dziur w kosmosie i początków Wszechświata. Musi istnieć sposób na zespolenie tych dwóch teorii w jedną, której przybliżeniem w dużej skali będzie ogólna teoria względności, a w małej skali fizyka kwantowa.

Taka „teoria wszystkiego” byłaby ostateczną opowieścią o kwancie. Spodziewamy się, że będzie to teoria kwantowa – teoria zawierająca główne zasady fizyki kwantowej. Kiedy ją odkryjemy – jeśli się to uda – będzie to teoria w zasadzie opisująca każde ciało fizyczne – od kwarków, które tworzą protony i neutrony, po cały kosmos.

* * *

Odnośnie do drugiego punktu na mojej liście zalet teorii kwantowej zauważmy, że jej precyzja jest zdumiewająca. Rozważmy na przykład światło emitowane przez atomy. Przewidywania formułowane przez fizykę kwantową są szczególnie dokładne w odniesieniu do najprostszego i najpowszechniej występującego w naturze atomu – atomu wodoru. Niemal każdy atom wodoru ma jądro składające się z pojedynczego protonu i jeden elektron krążący wokół jądra. Teoria kwantowa przewiduje, iż wszystkie atomy emitują światło, gdy przechodzą z jednego „stanu atomowego” w inny stan, gdyż takiemu przejściu towarzyszy emisja fotonu. Oto co się pod tym kryje.

Zasady kwantowe nakładają na elektron w atomie wodoru ograniczenia: musi się on poruszać, pozostając tylko w określonych „stanach ruchu”. Dla elektronu istnieje wiele takich stanów atomowych, z których każdy charakteryzuje konkretna i przewidywalna ilość energii, coś w rodzaju sytuacji, gdy wentylator może pracować w trybach: szybko, średnio, powoli12. (Mała dygresja: kilka razy użyłem znajomego wyrazu energia bez podania definicji, ponieważ większość ludzi ma ogólne pojęcie, czym ona jest. Obecnie takie ogólne pojęcie w zupełności wystarczy. Dla fizyków jest to najważniejsze słowo i konieczna jest jego jasna definicja. Zetkniemy się z nią w rozdziale 3). Według teorii atomy emitują światło i inne rodzaje promieniowania, gdy przechodzą ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii, a procesowi towarzyszy emisja fotonu. Ponieważ energia całkowita zawsze jest zachowana (rozdział 3), energia fotonu musi równać się energii traconej w wyniku „spadku” do stanu o niższej energii. Okazuje się (rozdział 5), że energia fotonu określa długość fali (odległość między dwoma kolejnymi grzbietami fali) promieniowania emitowanego przez atom.

Właśnie w taki sposób fizyka kwantowa może przewidywać długość fali światła widzialnego o różnych barwach i innych rodzajów promieniowania, jakie mogą być emitowane przez atom wodoru. Ten zbiór długości fali nazywany jest widmem (określenie to odnosi się do „zakresu”, zwykle występuje w kontekście zakresu długości fal) atomu wodoru w obszarze widzialnym. Jeśli podgrzejemy zbiornik z atomami wodoru, to „wzbudzimy” wiele atomów do wyższych stanów energetycznych i atomy te będą w sposób ciągły uwalniać tę energię, emitując fotony o długościach fali należących do widma atomu wodoru13. To dlatego gorący gaz świeci, jak w przypadku Słońca lub reklamy neonowej14. Jeśli użyjemy pryzmatu lub innego przyrządu zakrzywiającego i rozszczepiającego różne barwy (różne długości fali) światła, to stopień zakrzywienia powie nam, jaką długość fali ma każda barwa. Te długości fali da się przewidywać i mierzyć z bardzo dużą dokładnością. Na przykład przewidywana długość fali światła emitowanego przez atom wodoru przy przejściu z pierwszego podwyższonego stanu energetycznego do najniższego możliwego poziomu energetycznego wynosi 0,000 000 121 568 metra. Długość fali światła emitowanego przez atomy jest bardzo mała, czego należałoby się spodziewać, skoro fala powstaje wewnątrz tak niewielkiego obiektu. Okazuje się, że ta konkretna długość fali jest zbyt mała, aby zmieścić się w zakresie światła widzialnego; leży w zakresie ultrafioletu (ponad fioletem, co znaczy, że niesie więcej energii niż światło fioletowe). Po uwzględnieniu przedziału błędu pomiarowego okazuje się, że zmierzona długość fali jest zgodna z przewidywaniami. Przeprowadzanie pomiaru z dokładnością do sześciu cyfr znaczących jest typowe dla fizyki atomowej.

Analiza widmowa jest jednym z najbardziej owocnych przedsięwzięć naukowych, dostarczającym mnóstwa bardzo precyzyjnych informacji, wykorzystywanych w najróżniejszych działach nauki i techniki. Nie byłaby jednak możliwa bez fizyki kwantowej.

* * *

Opowieść o najdokładniejszej prognozie w historii nauki ma swoje źródło w dziedzinie zwanej elektrodynamiką kwantową.

Każdy elektron wytwarza w otaczającej go przestrzeni efekty związane z oddziaływaniem elektrycznym i magnetycznym. Jedną z przyczyn występowania efektów magnetycznych jest to, że każdy elektron charakteryzuje nieodłączny obrót: tak jak Ziemia obraca się wokół osi północ–południe, elektron zawsze obraca się wokół jakiejś osi. Podstawowy fakt dotyczący natury jest taki, że ten obrót ma określoną wartość, jednakową dla wszystkich elektronów, nie można go wyłączyć ani zmienić. Ten ruch cząstki obdarzonej ładunkiem elektrycznym zawsze wytwarza efekty związane z oddziaływaniem magnetycznym (rozdział 4). Siła efektów magnetycznych stwarzanych przez obracający się elektron jest wyrażana ilościowo za pomocą momentu magnetycznego elektronu, wielkości, którą – jak się okazuje – można byłoby łatwo wyliczyć, gdyby nie jeden kluczowy czynnik nazywany czynnikiem g. Bez wnikania w szczegóły związane ze znaczeniem czynnika g istotne dla nas jest to, że można precyzyjnie przewidzieć jego wartość, a także dokonać jego pomiaru z dużą dokładnością, co nadaje mu rangę ważnego narzędzia do porównania teorii kwantowej z rzeczywistością laboratoryjnych doświadczeń. Tak się składa, że jest to czysta, bezwymiarowa liczba (to znaczy, że jest to ta sama liczba w każdym układzie pomiarowym). Aby dokonać pomiaru tej własności elektronu, eksperymentatorzy muszą całymi miesiącami utrzymywać pojedynczy elektron zawieszony w silnym polu magnetycznym, co już samo w sobie jest nie lada osiągnięciem. Najświeższy pomiar dał wartość 0,001 159 652 180 73 (28), której dwie ostatnie cyfry, w nawiasie, obarczone są niepewnością15. Tak więc czynnik g elektronu został zmierzony z dokładnością do 12 cyfr znaczących, nawet do 14 cyfr znaczących, choć z większą niepewnością. Teoretycy kwantowi potrafią go wyliczyć z dokładnością do 12 cyfr znaczących. Obliczenia obejmują dziesiątki tysięcy żmudnych, osobnych rachunków, które w ciągu ostatnich sześćdziesięciu lat przeprowadzano z rosnącą dokładnością. Ich wynik stanowi 12 tych samych cyfr znaczących!

To niesamowite. Jesteśmy w stanie przewidzieć konkretną, dwunastocyfrową liczbę. Możemy powiedzieć komukolwiek: „Jeśli wejdziesz do laboratorium i zrobisz to i tamto, odkryjesz taką dwunastocyfrową liczbę”. I kiedy wykona on dokładnie podane czynności, odkryje, że Matka Natura weryfikuje to przewidywanie. Tysiące lat temu pewne kultury umiały przewidywać, mniej więcej, położenie względem horyzontu Słońca wschodzącego w najdłuższym dniu w roku i moment wystąpienia tego efektu, jak też innych zjawisk niebieskich. Dowodem tego, że podobne prognozy traktowano z wielkim respektem, są budowle epoki kamienia łupanego, takie jak monument Stonehenge w Anglii, wzniesiony częściowo jako obserwatorium takich zjawisk16. Dalece precyzyjniejsze i szczegółowe przewidywania formułowane przez fizykę kwantową powinny być postrzegane w ten sam sposób, jako wzbudzające podziw przykłady zdolności ludzi do rozumienia natury i łączenia się z nią. Mam nadzieję, że to, o czym opowiem w książce, wzbudzi w czytelnikach podobny podziw.

* * *

Opłacalność ekonomiczną zaś uzasadnia fakt, że cała dzisiejsza gospodarka światowa jest mocno związana z pojmowaniem fizyki kwantowej. Komputery, tranzystory, lasery, a nawet ogólnoświatowa sieć Internetu, zostały wynalezione przez fizyków, których badania koncentrowały się na fizyce kwantowej17. Praktycznie wszystkie przedsięwzięcia biznesowe na świecie powiązane są z tymi technologiami. Trudno może wycenić ten wpływ, jednak w 2001 roku szacowano, że zależało od niego 30 procent produktu narodowego brutto Stanów Zjednoczonych18, a dziś z pewnością sięga on kwot wielu bilionów dolarów rocznie w Stanach Zjednoczonych i dziesiątek bilionów dolarów rocznie na świecie.

Fizyka kwantowa stoi za takimi zastosowaniami technicznymi, jak tranzystor (który stanowił podstawę rewolucji informatycznej), diody tunelowe, lasery, masery, światłowody, aparaty rentgenowskie, magnetronika, źródła promieniowania synchrotronowego, radioznaczniki, skaningowe mikroskopy tunelowe, magnesy nadprzewodzące, mikroskopy elektronowe, pozytonowa tomografia emisyjna (PET), tomografia komputerowa (CAT), obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), substancje nadciekłe, reaktory jądrowe, bomby jądrowe, magnetyczny rezonans jądrowy, medycyna jądrowa, mikroprocesory i półprzewodniki. To tylko wybrane przykłady ze znacznie dłuższej listy.

Rozterki związane z podstawami teorii kwantowej

Jest czymś zaskakującym, że ponad sto lat po narodzinach fizyki kwantowej podstawy teorii kwantowej wciąż są przedmiotem dyskusji. Na konferencji zorganizowanej w 2011 roku przez Antona Zeilingera pod hasłem „Fizyka kwantowa i natura rzeczywistości” 27 fizyków, 5 filozofów i 3 matematyków otrzymało do wypełnienia kwestionariusz zawierający 16 pytań wielokrotnego wyboru odnoszących się do podstawowych kwestii fizyki kwantowej. Znaczna liczba uczestników konferencji wyraziła sprzeciw wobec niektórych fundamentalnych zasad. Organizatorzy podsumowali wyniki ankiety następującymi słowami: „W społeczności naukowej wciąż nie ma zgody odnośnie do interpretacji podstawowych elementów tworzących teorię. Nasza ankieta stanowi pilne przypomnienie, iż ta dziwna sytuacja nadal się utrzymuje”19.

Nietrudno się domyślić, że problem tkwi w określeniu, co tworzące teorię kwantową równania i słowa mają naprawdę znaczyć. Od strony formalizmu matematycznego teoria jest mocno abstrakcyjna i trudniej o jej konkretną interpretację niż w przypadku innych teorii fizycznych. Wielu naukowców podaje w wątpliwość nawet to, że teoria opisuje realny świat, sprowadzając ją jedynie do użytecznego matematycznego opisu do przewidywania wyników doświadczeń. Pokażę, że zaproponowano wiele interpretacji i odmian teorii.

Obecnie dyskusja obraca się wokół co najmniej trzech zagadnień: dualizmu korpuskularno-falowego (rozdział 5), nielokalności (rozdział 9) i problemu pomiaru (rozdział 10). Kilkadziesiąt lat temu na liście kontrowersyjnych tematów byłaby jeszcze kwantowa losowość. Wielu naukowców, z Einsteinem na czele, uważało, że nieokreśloność rozpadu promieniotwórczego pierwiastków i innych zjawisk kwantowych jest tylko pozorna, że musi istnieć jakaś dotąd nieodkryta teoria, nadrzędna wobec fizyki kwantowej, która pokaże, iż przyszłość jest w pełni zdeterminowana przez teraźniejszość. Choć kilku badaczy kontynuuje poszukiwanie takiego deterministycznego objaśnienia natury, większość zaakceptowała przytłaczający materiał dowodowy przemawiający za nieokreślonością (rozdział 6).

W odniesieniu do dualizmu korpuskularno-falowego zobaczycie, że sukcesy kwantowej teorii pola – teorii łączącej fizykę kwantową z wyobrażeniami Einsteina na temat czasu i przestrzeni, zawartymi w szczególnej teorii względności – przekonały czołowych teoretyków kwantowych, w tym Stevena Weinberga i Franka Wilczka, że Wszechświat raczej zbudowany jest z fal rozchodzących się w polach, a nie cząstek poruszających się w pustej przestrzeni. Taki kierunek wskazują obecnie naukowy konsensus i dowody doświadczalne20.

Jeśli chodzi o nielokalność, to Albert Einstein i jego współpracownicy pierwsi wskazywali w 1935 roku, że fizyka kwantowa przewiduje istnienie tego fenomenu21. Jednak z punktu widzenia Einsteina nielokalność była tak „upiorna”, że doszedł do wniosku, iż fizykę kwantową trzeba zastąpić jakąś bardziej „kompletną” teorią, która nie będzie upiorna – nie będzie nielokalna. W rozdziale 9 przekonacie się, że od 1970 roku eksperymenty pokazują, iż natura naprawdę przejawia nielokalność przewidywaną przez fizykę kwantową, dzięki czemu rośnie akceptacja kwantowej nielokalności, przybliżając osiągnięcie konsensusu w tej sprawie22.

Problem pomiaru, zwany inaczej „paradoksem kota Schrödingera”, pozostaje główną kwestią dyskusyjną, w moim przekonaniu jedynym znaczącym nierozstrzygniętym zagadnieniem leżącym u podstaw teorii kwantowej. Niektórzy eksperci uważają, że nie jest on rozwiązany, inni twierdzą, że jest rozwiązany, jeszcze inni widzą w nim pseudoproblem, który w ogóle nie wymaga rozwiązywania. Większość zgadza się, że fizycy naprawdę muszą w tej sprawie dojść do porozumienia. Zmierzymy się z nim rozdziale 10, gdzie prezentuję nowe argumenty na poparcie rozwiązania po raz pierwszy zaproponowanego w 1968 roku przez Josefa Jaucha i rozwiniętego później przez innych. Postęp, jaki dokonał się od lat sześćdziesiątych XX wieku, zwłaszcza w zakresie pogłębienia rozumienia nielokalnego zjawiska zwanego „splątaniem” (rozdział 9), rzuca nowe światło na prawdziwe znaczenie paradoksu kota Schrödingera.

* * *

Fizyka kwantowa opowiada głównie o tym, czego nie możemy zobaczyć. Jej podstawowe zasady są zadziwiające, delikatnie mówiąc, a licząca 115 lat historia teorii kwantowej to niekończące się pasmo naukowych sporów o fundamentalne pojęcia. Nie jest więc niczym zaskakującym, że rozzuchwaliły się demony zainspirowanej fizyką kwantową pseudonauki – wprowadzającej w błąd karykatury procesu naukowego, prezentowanej w taki sposób, że wygląda na naukową, ale brak jej wspierających dowodów i racjonalnej wiarygodności. W świecie, w którym palącą potrzebą jest pogłębianie rozumienia nauki, pseudonauka jest akurat tym, czego nam najmniej trzeba.

Przyjrzyjmy się kilku przykładom. Popularny film z 2004 roku What the Bleep Do We Know? zarobił 10 milionów dolarów i otrzymał kilka nagród filmowych. Narracja zbudowana jest w nim wokół tezy, iż to my sami kreujemy naszą własną rzeczywistość za pośrednictwem świadomości i fizyki kwantowej. W filmie pokazano, jak rzekomo myślami można zmienić strukturę kryształu. Zawiera on też „ukierunkowywany” przez medium wywiad z duszą liczącą 35 000 lat i wypowiedzi fizyków, którzy wygłaszają takie zdania: „Otaczający nas świat materialny to nic innego jak tylko możliwe zmiany świadomości”23.

Popularna postać telewizyjna, lekarz Deepak Chopra, informuje nas, że kwantowa kuracja może wyleczyć z chorób dzięki zastosowaniu mocy umysłu24. Książka Chopry Życie bez starości: młode ciało, ponadczasowy umysł królowała na liście bestsellerów „New York Timesa” i sprzedała się na świecie w nakładzie przekraczającym dwa miliony sztuk.

Jedna z wielu interpretacji fizyki kwantowej, proponowana przez fizyków szukających sposobu na obejście problemu pomiaru, polega na przypisaniu ludzkiej świadomości zdolności do objaśniania, w jaki sposób stan kwantowy może ostatecznie przejść „kolaps” (rozdziały 9 i 10). Nie ma jednak dowodu na to, że ludzka świadomość odgrywa w tym procesie choćby najmniejszą rolę. Pomysł, że może ona kontrolować zewnętrzne wobec niej zjawiska fizyczne, jest wyciągnięty z tego samego kapelusza co twierdzenia samozwańczego medium, Uriego Gellera, iż samą siłą woli potrafi zginać metalowe łyżki. Natychmiast nasuwa się pytanie, jak zachodzi kolaps stanów kwantowych wszędzie tam we Wszechświecie, gdzie nie ma ludzi, albo jak mogło do niego dochodzić, zanim pojawił się człowiek. Można też zagłębić się w rozważania, czy do kolapsu stanu kwantowego mogą doprowadzić niemowlęta lub inteligentne małpy. Przez jakiś czas pogląd ten wspierali Eugene Wigner, znakomity fizyk, który powinien lepiej się orientować, oraz wielki matematyk i analityk podstaw fizyki kwantowej John von Neumann. Wigner porzucił to podejście w 1970 roku, dziesięć lat po jego przyjęciu25. Tak czy inaczej, zdyskredytowana wizja „świadomościowa” fizyki kwantowej stale powraca. Opublikowany w 2006 roku podręcznik, wykorzystywany na kursach fizyki dla studentów nauk humanistycznych na Uniwersytecie Kalifornijskim, nosi tytuł: Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness (Kwantowa zagadka: Fizyka spotyka świadomość). Autor podręcznika nadal posługuje się przestarzałymi poglądami Wignera jako dowodem na interpretację świadomościową fizyki kwantowej, mimo że Wigner dawno go odrzucił26. Choć racjonalny umysł powinien z miejsca odrzucić to podejście, w rozdziale 10 opiszę eksperyment, który sprawia kłopot, gdy myślimy o bezpośrednim i przekonującym rozprawieniu się z interpretacją świadomościową.

Inspirowana teorią kwantową pseudonauka stoi za najróżniejszymi zdumiewającymi, lecz wątpliwymi twierdzeniami, od postrzegania pozazmysłowego do medycyny alternatywnej27. To nie jest dobry czas dla nauki, gdy pracownicy księgarń i bibliotek zastanawiają się, czy konkretną książkę postawić na półce w dziale z etykietą new age, religia czy fizyka kwantowa.

Kwanty dla każdego kreślą optymistyczne perspektywy – ogólna struktura teorii kwantowej ma się bardzo dobrze w takiej formie, w jakiej jest obecnie, a pozorne paradoksy zostały już rozwiązane albo są rozwiązywalne w ramach tej struktury. Z pewnością powinniśmy odrzucić pseudonaukowe wypaczenia. Co więcej, nie ma potrzeby, aby wprowadzać jakiekolwiek korekty u podstaw lub obmyślać ekscentryczne interpretacje. Najbardziej fundamentalna teoria naukowa jest w lepszym stanie, niż jej krytycy sobie wyobrażają.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

PRZEDMOWA

Rozdział 1. Wprowadzenie

CZĘŚĆ I. WSZECHŚWIAT JEST ZBUDOWANY Z KWANTÓW

Rozdział 2. O czym mówi fizyka kwantowa?

Rozdział 3. Cząstki i mechanika klasyczna

Rozdział 4. Pola i elektromagnetyzm klasyczny

Rozdział 5. Czym jest kwant?

CZĘŚĆ II. O TYM, JAK ZACHOWUJĄ SIĘ KWANTY

Rozdział 6. Doskonała losowość

Rozdział 7. Stany kwantowe i ich zmiany

Rozdział 8. Superpozycje i kwanty makroskopowe

Rozdział 9. Splątany, nielokalny Wszechświat

CZĘŚĆ III. WRACAJĄC DO NORMALNEGO ŚWIATA

Rozdział 10. Kot Schrödingera i „pomiar”

Rozdział 11. Środowisko jako ekran

SŁOWNICZEK

PODZIĘKOWANIA

4 Możliwe jest jednak przekształcenie jednego fotonu w dwa. Ten trudny proces, nazywany podziałem częstości, w istocie nie dzieli fotonu, lecz wykorzystuje jego energię do wytworzenia nowej pary fotonów. Co więcej, utworzona para cząstek jest „splątana” – co znaczy, że pod wieloma względami pozostają one jednym obiektem, „atomem światła”.

5 Jak przekonamy się w trakcie lektury rozdziału 8, treść tego akapitu jest nieco przesadnie uproszczona. Docierając do szyby, pojedynczy foton nie „podejmuje decyzji”, czy odbić się, czy przejść na drugą stronę. Zamiast tego jednocześnie porusza się po obu trajektoriach. To dziwaczne zachowanie (według standardów naszego makroskopowego świata) jest nazywane superpozycją dwóch „stanów” (stanu, w którym foton odbija się od szyby, oraz stanu, w którym przechodzi przez szybę). Decyzja o tym, którą trajektorią on podąży, podejmowana jest dopiero w chwili, gdy zostanie zarejestrowany albo przez Alicję, albo przez Boba. Mówi się, że w chwili zarejestrowania foton „przechodzi kolaps” albo „wykonuje przeskok kwantowy”.

6 Choć ilustracja tego nie pokazuje, po dotarciu do płytki półprzepuszczalnej numer 1 tor 2 ulega drobnemu odchyleniu. Po przejściu przez płytkę jest dokładnie równoległy względem poprzedniej trajektorii, ale lekko przesunięty w dół.

7 Tak naprawdę nie da się zobaczyć pojedynczego fotonu – aby nasze oko zarejestrowało światło, musi trafić do niego kilka niezbyt odległych od siebie fotonów.

8 W obecności płytki półprzepuszczalnej nr 2, kiedy długość toru 1 i toru 2 jest jednakowa, w wielu próbach eksperymentalnych na obu detektorach pojawia się wzór interferencyjny. Potwierdza to, że każdy foton interferował sam ze sobą, a skoro tak, musiał zebrać informację z obu trajektorii. Tak więc każdy foton przechodzi przez płytkę półprzepuszczalną nr 1, poruszając się po obu torach. Co więcej, zachowanie to nie zależy od tego, czy płytka półprzepuszczalna nr 2 jest wykorzystywana, czy nie, ponieważ foton oddziałuje z płytką nr 2 tylko w sytuacji, gdy już przeszedł przez płytkę nr 1.

9 Jedynymi rozważanymi w tej książce rodzajami superpozycji są superpozycja położenia i superpozycja prędkości. Są jeszcze inne rodzaje superpozycji: superpozycja spinu, polaryzacji i innych własności kwantowych.

10 en.wikiquote.org/wiki/Werner_Heisenberg: „Werner Heisenberg”, Wikiquotes, 20 lutego 2016 r.

11 Masywniejsze ciała, takie jak piłki baseballowe, mają zasadniczo krótsze długości fal, zatem superpozycja znacząco różnych położeń obejmowałaby odległości wiele razy przewyższające długość fali. Trudno byłoby na takich dystansach utrzymać „koherencję fazy” (tzn. zachować pojedynczy, spójny stan kwantowy).

12 Dodatkowo, oprócz tych „stanów energetycznych”, możliwe są inne stany. Każdy z tych innych stanów jest konkretną „superpozycją” (albo złożeniem) stanów energetycznych.

13 Potrzebny jest bardzo gorący pojemnik z atomami, ponieważ atomy wodoru z łatwością łączą się w dwuatomowe cząsteczki, których widmo różni się od widma wodoru atomowego. Wysoka temperatura zapobiega powstawaniu wiązań między atomami wodoru.

14 Szklana powierzchnia świetlówki nie jest gorąca, ponieważ znajdujący się w środku gaz ma tak niską gęstość, że nie może przekazać szkłu znacznych ilości ciepła. Temperatura gazu jest jednak dość wysoka.

15 G. Gerald Gabrielse, The Standard Model’s Greatest Triumph, „Physics Today” 2013, nr 66, s. 64–65. Cytowana liczba to w istocie |g|/2 – 1, gdzie g symbolizuje „czynnik g”.

16 https://en.wikipedia.org/wiki/Archeoastronomy_and_Stonehenge: „Archeoastronomy and Stonehenge”, Wikipedia, 27 maja 2016 r.

17 Ian P. Bindloss, Contributions of Physics to the Information Age, www.physics.ucla.edu/~ianb/history/, 13 stycznia 2012 r.

18 Max Tegmark i John Wheeler, 100 Years of Quantum Mysteries, „Scientific American” 2001, nr 299, s. 68–75.

19 Maximilian Schlosshauer, Johannes Kofler i Anton Zeilinger, A Snapshot of Foundational Attitudes Toward Quantum Mechanics, „Studies in History and Philosophy of Modern Physics” 2013, nr 44, s. 222–230.

20 Art Hobson, There Are No Particles, There Are Only Fields, „American Journal of Physics” 2013, nr 81, s. 211–223.

21 Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?, „Physical Review” 1935, t. 47, s. 777–780.

22 Alain Aspect, Bell’s Inequality Test: More Ideal Than Ever, „Nature” 1999, nr 398, s. 189–190.

23 Cytowane w: Michael Shermer, Quantum Quackery, „Scientific American” 2005, nr 292, s. 34.

24 Deepak Chopra, Zdrowie bez granic: leczenie ducha i ciała na poziomie kwantowym, przeł. Paweł J. Listwan, „Medium”, Warszawa 2000.

25 Maximilian Schlosshauer, Decoherence and the Quantum-to-Classical Transition, Springer Verlag, Berlin 2007, s. 364–365.

26 Ibid.

27 Victor Stenger, Quantum Quackery, „Skeptical Inquirer” 21.1, styczeń–luty (1997), s. 37–42. Rzuca się w oczy, że – przez czysty przypadek – artykuł nosi ten sam tytuł co wymieniona wcześniej publikacja Michaela Shermera.