| nr. 3 (VIII) - czerwiec, lipiec 1999 [ ASCII ] | ( wersja ISO 8859-2 ) | ( wersja CP-1250 )
Gdy zawodzi chlopski rozum Granice nauki
CREDO, QUIA ABSURDUM - wierze, bo to niedorzecznosc - ta sentencja Tertuliana z konca II w. przychodzi na mysl, gdy usiluje sie zglebic zagadkowe wlasnosci mikroswiata opisywanego przez mechanike kwantowa. Swiat atomow i ich skladnikow okazal sie bowiem tak drastycznie rozny od naszej ludzkiej - czyli makroskopowej - skali, ze samo mowienie o jego wlasnosciach sprawia ogromne problemy i prowadzi czesto do roznych paradoksow. Tu odwolywanie sie do wyprobowanych intuicji oraz tzw. "chlopskiego rozumu" bywa na ogol zawodne. Nie oznacza to jednak, ze obiekty mikroswiata zachowuja sie w jakis zupelnie alogiczny sposob, wrecz przeciwnie, ich zachowaniem rzadza niezwykle rygorystyczne prawa. Sa to jednak prawa calkowicie odmienne od tych, ktorych nauczylo nas nasze codzienne doswiadczenie zyciowe. Fizyka zwana klasyczna, pod ktora podwaliny polozyli m. in. Galileusz, Newton i ich wielcy kontynuatorzy, opisywala otaczajacy nas swiat w sposob intuicyjnie dosc oczywisty. Ciala poruszaly sie pod wplywem sil, po z gory przewidywalnych trajektoriach, a fale rozchodzily sie w osrodkach zgodnie z ich wlasnosciami. Wszystko bylo - przynajmniej teoretycznie - doskonale przewidywalne i mierzalne.
ilustracja: Aleksander Jasinski
Tresc formul mechaniki klasycznej da sie w zasadzie wypowiedziec jezykiem potocznym, bowiem pojecia takie jak czastka, fala, predkosc, sila, energia, czas i wiele innych w tym jezyku funkcjonuja i wywoluja u odbiorcy wlasciwe skojarzenia. I o ten jezyk wlasnie potknelismy sie z chwila poznawania wlasnosci obiektow mikrokosmosu. No bo jakze tu nazwac i wyobrazic sobie obiekt, ktory w pewnych sytuacjach zachowuje sie jakby byl czastka (tu od razu nasuwa sie wyobrazenie malej kuleczki), a kiedy indziej wykazuje cechy falowe. Opis klasyczny oraz codzienne doswiadczenie nauczyly nas przeciez, ze pojecia czastki i fali sa calkowicie rozlaczne i naleza do calkiem innych formalizmow fizycznych: pierwsze do mechaniki punktow materialnych, a drugie do mechaniki osrodkow ciaglych (jak np. hydrodynamika). O tzw. dualizmie folowo-korpuskularnym mikroobiektow slyszal juz chyba niemal kazdy. Wspomina sie o tym nawet w programie szkolnym. Ale uslyszec to jedno, a zrozumiec - o, to juz calkiem inna sprawa. Z cala pewnoscia trzymajac sie logiki "chlopskiego rozumu" wiele tu nie zdzialamy. W znacznym stopniu na logice chlopskiego rozumu opiera sie rowniez nasz jezyk potoczny. Probujemy wiec mowic tym jezykiem, ze np. jakis tam elektron lub foton czasem JEST czastka, a czasem JEST fala. Otoz on NIE JEST ani jednym ani drugim. Czym on jest, tego naszym codziennym jezykiem powiedziec sie nie da. Mozna jedynie uzyc sformulowania, iz jest to obiekt (obiekt to pojecie wystarczajaco ogolnikowe), ktory w pewnych sytuacjach zachowuje sie TAK JAK klasyczna czastka a w innych TAK JAK klasyczna fala. I tyle. Slowa - czastka i fala - sa tu pewnymi metaforami raczej niz scislymi okresleniami, ktore mozna traktowac doslownie. Fizyka kwantowa przyswoila sobie wiele pojec z jezyka klasycznego, lecz pojecia te funkcjonuja w niej czesto jako pewne metafory, mimo, ze przypisano im rozne wielkosci matematyczne ujete w odpowiednie rownania. Juz sam wspoltworca mechaniki kwantowej - W. Heisenberg - wyczuwal te klopoty gdy pisal: "Najtrudniejszy problem dotyczacy wykorzystania jezyka pojawia sie w teorii kwantow. Nie mielismy z poczatku zadnej, nawet prostej wskazowki, jak skorelowac symbole matematyczne z pojeciami codziennego jezyka. Jedyne co od poczatku wiemy, to fakt, ze powszechnych pojec nie mozna zastosowac do struktur atomowych". Mamy wiec klasyczna sytuacje, kiedy - jak mowil poeta - "jezyk myslom klamie". Paradoksalnosc dualizmu falowo-korpuskularnego tkwi w znacznym stopniu w naszym jezyku. Mozna tu uzyc pewnego porownania z radiem, ktore czasem gra JAK gitara, a kiedy indziej JAK fortepian. Lecz, jak wiemy, radio gitara ani fortepianem NIE JEST. Radio to radio. Tylko jak to wytlumaczyc muzykowi sprzed dwustu lat, ktory sluchalby tej grajacej skrzynki? Czy ludzie z tej epoki przy zetknieciu z naszym radiem lub magnetofonem tez by wymyslili jakis "dualizm gitarowo-fortepianowy"? Jak wiec, w kontekscie opisanych wyzej problemow jezykowych wyglada szansa na wlasciwe zrozumienie mechaniki kwantowej, na zrozumienie i zinterpretowanie tego wszystkiego co zawieraja w sobie jej obiekty matematyczne oraz rownania. Bedzie to moze zaskakujace dla czesci czytelnikow gdy powiem, ze nawet wielu fizykow (moze i wiekszosc) do konca jej nie rozumie. Spotkac mozna wsrod wielkich tego swiata (np. R. Penrose) opinie, ze tak do samego konca to wrecz nikt jej nie rozumie. Fizycy uzywajacy do swych celow mechaniki kwantowej najczesciej po prostu sprawnie rozwiazuja odpowiednie rownania, wyliczaja przewidywane wyniki pomiarow i konfrontuja je z doswiadczeniem. I jak dotychczas wszystko znakomicie sie zgadza. Funkcjonuja nawet liczne urzadzenia oparte na zjawiskach kwantowych. Ale wszystko to nie oznacza jeszcze, ze istotnie ROZUMIEMY rozne paradoksalne wlasnosci mikroobiektow. Jestesmy tu troche jak przecietny uzytkownik telewizora, ktory sprawnie potrafi wciskac klawisze, ustawic kontrast i jasnosc obrazu, wybierac programy, lecz o fizycznych zasadach dzialania tegoz odbiornika ma dosc mgliste pojecie. Fizyk nagabywany o rozne paradoksy mechaniki kwantowej najpierw intensywnie macha rekami a ostateczna jego odpowiedz na wszelkie - "dlaczego" - sprowadza sie do: "no bo tak juz jest w mikroswiecie". Czyli znowu - credo, quia absurdum. Owszem, sa i tacy, ktorzy probuja dotrzec do sedna zagadek kwantowych. Czasem to sie nawet zle konczy. S. Weinberg opisuje taka historie. Jeden z jego rownie wielkich kolegow po fachu mial onegdaj mlodego i wielce zdolnego doktoranta. Przywozil go nawet na miedzynarodowe konferencje, gdzie ow mlody czlowiek prezentowal calkiem obiecujace osiagniecia z teorii kwantow. Po dwoch latach, na kolejnej konferencji nie bylo juz wsrod uczestnikow mlodego doktoranta. Weinberg spytal wiec swojego znajomego - - A coz to sie stalo, ze nie przyjechal twoj zdolny uczen? - Niestety - odrzekl kolega Weinberga smutno kiwajac glowa - nie pracuje juz naukowo. - A czemuz to. Czyzby nie zrobil doktoratu? - Nie, on usilowal ZROZUMIEC mechanike kwantowa. No coz. Bywa i tak. Zapewne wielu z czytelnikow slyszalo o wieloletnich sporach A. Einsteina z N. Bohrem o tzw. kopenhaska interpretacje mechaniki kwantowej, w tym o zasade nieoznaczonosci Heisenberga. Einstein do konca dni swoich nie mogl pogodzic sie z ta interpretacja, chociaz to wlasnie za prace w zakresie mechaniki kwantowej otrzymal nagrode Nobla. Dzisiejsze mozliwosci techniczne pozwalaja na eksperymenty, ktore w czasach Einsteina, Bohra i Heisenberga mozna bylo jedynie sobie wyobrazac. Kazdy eksperyment fizyczny polega na tym, ze za posrednictwem jakichs przyrzadow oddzialujemy na badany obiekt, starajac sie czegos o tym obiekcie dowiedziec (czyli wykonac pomiar). Gdy obiekt jest duzy (makroskopowy) to wplyw przyrzadu na niego mozna uczynic zaniedbywalnym. Np. gdy mierzymy radarem predkosc samochodu, to wplyw fal radiowych radaru na ped samochodu jest do pominiecia. Nie uwzgledniamy go. W mikroswiecie kazde wtargniecie do badanego ukladu powoduje "spustoszenie". Kazdy pomiar cos psuje w mierzonym ukladzie. Czesc informacji przy tym tracimy. Na obiekty kwantowe nie mozna nawet bezkarnie "popatrzec". Samo popatrzenie zmienia stan takiego obiektu. Ciekawy eksperyment wykonano kilka lat temu obserwujac zwykly rozpad promieniotworczy. Stare, od stu lat niemal znane zjawisko. Charakteryzuje je wielkosc zwana czasem polowicznego rozpadu - czyli czas, po ktorym polowa jader atomowych probki ulegnie rozpadowi. Wiemy, ze bedzie to polowa, tylko nie wiadomo, ktore konkretnie atomy sie rozpadna. Sam pojedynczy rozpad jest procesem kwantowym. Finezja tego eksperymentu polegala na tym, ze udalo sie wprost obserwowac poszczegolne atomy radioaktywnej probki czekajac na ich rozpad. Chciano niejako "zlapac na goracym uczynku" rozpadajace sie jadro atomowe. I co sie stalo? Ano nie chcialy sie rozpadac. Jakby sie wstydzily, ze sie je podglada. Gdy obserwacje przerwano, rozpad wrocil do normy. Inna grupa eksperymentow zainicjowana w latach osiemdziesiatych przez A. Aspecta i w roznych wariantach kontynuowana obecnie bada tzw. "nielokalne efekty" mechaniki kwantowej. Z grubsza biorac wyglada to nastepujaco. W jakims elementarnym procesie fizycznym wyprodukowac mozna dwa fotony. Moze to byc np. anihilacja czastki z jej antyczastka. Powstaja z tego dwa fotony rozbiegajace sie w przeciwnych kierunkach. Z punktu widzenia fizyki klasycznej sa to dwa odrebne obiekty fizyczne, zyjace juz kazdy wlasnym zyciem. Pomiar dokonany na jednym fotonie nie powinien miec zadnego wplywu na pomiary dokonane na drugim z nich. A co sie okazalo? Okazalo sie, ze wrecz przeciwnie. Pomiary wykonywane na jednym z fotonow natychmiast odbijaly sie na pewnych cechach tego drugiego, nawet jesli odleglosc miedzy nimi byla bardzo duza. W opisie kwantowym te dwa blizniacze fotony, ktore powstaly w jednym miejscu i potem rozbiegly sie, caly czas stanowia jakby jeden obiekt, chocby dzielila je odleglosc wielu lat swietlnych. A najciekawsza jest ta natychmiastowa reakcja drugiego fotonu na pomiary wykonywane na pierwszym. Najdoslowniej natychmiastowa. Czyzby mozliwosc nadswietlnego przesylania informacji? Niestety, tak dobrze to nie jest. Informacji na poziomie klasycznym taki proces nie przenosi. Lecz i tak zjawisko jest dosc osobliwe. Eksperymenty z pojedynczymi fotonami i innymi czastkami elementarnymi, choc w roznych wariantach, przeprowadza sie caly czas. Pojawily sie w tym kontekscie takie nowe pojecia jak kwantowa teleportacja, kwantowa kryptografia czy kwantowe komputery (procesory). Calkiem nowe dziedziny wykorzystujace osobliwe wlasnosci stanow kwantowych. Obiecujaco zarysowuja sie tez nowe mozliwosci technologii opartej na wyzej wymienionych zjawiskach. Jeszcze jedna ciekawa koncepcja pojawila sie niedawno w zwiazku z eksperymentami Aspecta i im podobnymi. Wynika z nich, ze dwa lub wiecej obiektow mikroswiata powstajacych w jednym miejscu i we wspolnym oddzialywaniu "pamieta" pozniej caly czas o tym wspolnym pochodzeniu i stanowi nadal jakby jedna kwantowa calosc. A przeciez kilkanascie miliardow lat temu - zgodnie z teoria Wielkiego Wybuchu - wszystkie czastki wszechswiata byly w stanie bezposredniego oddzialywania. Czy pamietaja one do dzis o swych dawnych wspolnych narodzinach? Czy w tym kontekscie caly wszechswiat jest czyms w rodzaju gigantycznego i jednolitego obiektu kwantowego? Mysl, ze cokolwiek dzieje sie tu i teraz z nami i wokol nas mialoby jakies natychmiastowe odbicie na losach atomow a galaktyce Andromedy lub w odleglym kwazarze, brzmi raczej absurdalnie. Lecz mechanika kwantowa nie raz juz nas zaskakiwala swoimi osobliwosciami. Pozostaje nam wiec - credo, quia absurdum. (30. IV. 1999). Jerzy Sikorski { fizjks@iftia.univ.gda.pl }
| 17 |  |
The VALETZ Magazine : http://magazine.valetz.art.pl { redakcja@valetz.art.pl } (c) by The VALETZ Magazine. Wszelkie prawa zastrzezone.