Kwanty dla każdego - ebook

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.