Page 1Rectangle 52 Przejdź do treści
Łukasz Kaniewski

Kwantastyczna podróż

Kwantastyczna podróż

Metafazowa maszyna do pisania – tak dr Nick Herbert nazwał skonstruowane przez siebie urządzenie. 24 marca 1974 r. przydźwigał je na spotkanie Fundamental Fysiks Group.

Rzecz jasna test maszyny nie mógł się obyć bez pomocy naukowych stosowanych zwykle przez ten nieformalny zespół badaczy – alkoholu i innych substancji psychoaktywnych, które Kalifornia lat 70. XX w. oferowała w wielkiej obfitości. Kiedy każdy z naukowców wprawił się już w stan odpowiedni do empirycznych dociekań, nadszedł wreszcie czas na główny punkt wieczoru, czyli eksperyment.

Jak zapewniał Herbert, urządzenie – dzięki wykorzystaniu prawideł mechaniki kwantowej – umożliwi nawiązanie kontaktu z osobami nieżyjącymi. Sercem aparatu była odrobina radioaktywnej substancji umieszczona w tubie. Rozpad promieniotwórczy generował za pośrednictwem licznika Geigera ciąg znaków łacińskiego alfabetu. Według Nicka Herberta maszyna stanowiła kanał, za pośrednictwem którego duchy, anioły, diabły i inne bezcielesne byty mogłyby przemówić. Członkom Fundamental Fysiks Group szczególnie zależało na nawiązaniu kontaktu z duchem Harry'ego Houdiniego – słynnego iluzjonisty, którego hobby było demas- kowanie oszustw na seansach spirytystycznych. Z tego właśnie powodu spotkanie odbywało się w setną rocznicę jego urodzin.
Niestety, nie wszystko poszło po myśli Herberta i jego kolegów. Mimo ponawiania prób metafazowa maszyna do pisania nie zdołała skontaktować się z Houdinim. Niemniej członkowie Fundamental Fysiks Group nie wspominają wieczoru jako nieudanego. Świetnie się bawili, jak zwykle zresztą, gdy spędzali czas w swoim gronie – przeprowadzając parapsychologiczne eksperymenty albo wylegując się nago w jacuzzi i snując rozważania o fizyce, metafizyce i mistycyzmie.

Część Fundamental Fysiks Group. Od prawej: Jack Safratti, Saul-Paul Sirag, Nick  Herbert i Fred Alan Wolf (w kapturze).
Część Fundamental Fysiks Group. Od prawej: Jack Safratti, Saul-Paul Sirag, Nick Herbert i Fred Alan Wolf (w kapturze).

Często też wypuszczali się na wspólne nocne wypady po San Francisco. Byli, jak to opisuje David Kai- ser w książce How the Hippies Saved Physics... (Jak hipisi zbawili fizykę), lokalnymi, kontrkulturowymi celebrytami, chętnie zapraszanymi na najmodniejsze imprezy. Każdy chciał z nimi porozmawiać – i nic dziwnego, bo potrafili wykazać, że ze współczesnej mechaniki kwantowej i z ukochanej przez hipisów filozofii buddyjskiej wyłania się bardzo podobny obraz świata.

Bliźnięta idą do baru

Co mogą mieć wspólnego mechanika kwantowa i buddyjska tradycja filozoficzna? Dziedziny te wydają się bardzo odległe. Jedna jest przecież nowoczesną zachodnią nauką ścisłą, druga zaś to starożytna wschodnia myśl religijna. Jedyne, co je na pierwszy rzut oka łączy, to pewna przecząca rozsądkowi dziwaczność.
Uczonym, który położył pierwszy kamień pod gmach mechaniki kwantowej, był Max Planck. Udowodnił on, że energia pomiędzy obiektami nie jest przekazywana w sposób ciągły, ale po kawałku, w porcjach, czyli kwantach (łac. quantum oznacza ilość). Na przykład kwantem światła jest foton. To odkrycie nie wydaje się jeszcze dziwaczne, ale kolejne prawa mechaniki kwantowej były już dla kierujących się zdrowym rozsądkiem nie do przyjęcia. Weźmy chociażby zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Głosi ona, że im dokładniej zmierzymy pęd cząstki, tym mniej precyzyjnie będziemy mogli ustalić jej położenie. Nie wynika to z niedoskonałości naszych instrumentów, ale z faktu, że w mechanice kwantowej obserwator wpływa na właściwości badanego obiektu. Pęd i położenie elektronu nie mają obiektywnych wartości przed pomiarem. Mechanika kwantowa pozwala jedynie na określenie prawdopodobieństwa uzyskania rozmaitych wyników. 

Niezwykłą tego konsekwencję pokazał w eksperymencie myślowym austriacki fizyk Erwin Schrödinger. Zamknijmy kota w pudełku zawierającym truciznę, która zostanie uwolniona w wyniku jakiegoś zdarzenia kwantowego, np. rozpadu promieniotwórczego. Wiadomo, że rozpad nastąpi, ale zanim nie stwierdzimy, że to się stało, istnieje tylko prawdopodobieństwo zdarzenia. Dlatego przed otwarciem pudełka mechanika kwantowa będzie opisywała kota, jakby był raz żywy, a raz martwy.

Chyba jeszcze bardziej niezwykły jest fenomen kwantowego splątania. Polega on na tym, że dwie cząstki, dowolnie od siebie odległe, mogą tworzyć swoistą całość. Jeżeli u jednej z nich wykryjemy jakąś właściwość, druga będzie miała cechę dokładnie przeciwną. Oto jak zjawisko kwantowego splątania opisuje Seth Lloyd, naukowiec z MIT (Massachusetts Institute of Technology):

„Wyobraźmy sobie dwoje dorosłych bliźniąt. Siostra idzie właśnie ulicą w Cambridge w USA. Brat też maszeruje przez Cambridge, ale w Wielkiej Brytanii. Tak się złożyło, że akurat w tym samym czasie wchodzą do baru, każde po swojej stronie Atlantyku. Nie mają ze sobą jakiego- kolwiek kontaktu. Każde z nich, w swojej knajpie, słyszy pytanie od barmana: whisky czy piwo? I dzieje się rzecz niezwykła. Kiedy siostra prosi o whisky, brat żąda piwa. A kiedy siostra zamawia piwo, on kupuje whisky. Sytuacja powtarza się wiele razy. I nie jest tak, że bliźnięta mają po prostu różne preferencje. Zamawiają napoje w przypadkowej kolejności, ale zawsze jedno kupuje co innego niż drugie i dokładnie w tej samej chwili”.

W powyższej dykteryjce bliźnięta reprezentują splątaną parę fotonów – cząstek światła. Zamawiane przez nie drinki to cechy cząstek zwane polaryzacją (w uproszczeniu można powiedzieć, że to kierunek, w którym foton drga). Natomiast barmani to dokonujący pomiarów obserwatorzy. Splątane fotony pozostają ze sobą w ścisłej relacji: jeśli jeden drga w jedną stronę, drugi drga w przeciwną. Ale ustala się to dopiero w wyniku obserwacji, czyli pytania barmana. Zatem: pomiar polaryzacji fotonu jest konieczny, by zyskała ona konkretny kierunek, a jednocześnie pomiar ten ustala polaryzację innego fotonu, splątanego z tym pierwszym. Choćby był on odległy o miliony kilometrów.

Zwykłemu rozsądnemu człowiekowi po zapoznaniu się z tego rodzaju rewelacjami może zacząć się kręcić w głowie. Jednak buddyści nie widzą w nich nic niezwykłego. Twierdzą, że coś bardzo podobnego głosi fundamentalna dla buddyzmu teoria pustki. Tak oto pisze o niej Dalajlama w książce Wszechświat w atomie:

„Teoria pustki mówi, że nie da się utrzymać żadnego poglądu o istnieniu obiektywnej rzeczywistości, którego podstawą jest założenie naturalnego, niezależnego bytu. (…) Wszystko składa się ze wzajemnie ze sobą powiązanych, zależnych od siebie elementów. (…) Przedmioty i zjawiska są puste w tym sensie, że nie mają niezmiennej natury czy niezależnej rzeczywistości – nie istnieją absolutnie, a zatem nie są niezależne”. To tylko nasz „naiwny, zdroworozsądkowy światopogląd sprawia, że traktujemy przedmioty i zjawiska tak, jak gdyby były bytami trwałymi i niezależnymi”. Teorię pustki opracował Nagardżuna, najwybitniejsza postać buddyzmu (poza samym Buddą oczywiście). Jak pisze Dalajlama, każdy, kto jest „zaznajomiony z myślą filozoficzną Nagardżuny, z pewnością dostrzega zbieżność pustki z koncepcjami nowej fizyki”.

Szaman i kwanty 

Skoro już przywołaliśmy zjawisko splątania kwantowego, wspomnijmy też o Johnie Clauserze, członku Fundamental Fysiks Group, który udowodnił występowanie tego fenomenu eksperymentalnie. I nie była to psychodeliczna zabawa z kuriozalną maszyną metafazową, tylko rzetelne, akademickie przedsięwzięcie.

Clauser przeprowadził swój eksperyment po godzinach pracy (zatrudniony był jako astrofizyk). Skonstruował niezbędną aparaturę z rozmaitych sprzętów wyszukanych w magazynach Lawrence Berkeley National Laboratory. Doświadczenie rozpoczął od przepuszczenia niebieskiego światła przez kryształ, który zamieniał je w światło czerwone. Foton będący nośnikiem niebieskiego światła ma dwa razy wyższą energię niż foton „czerwony”. Dlatego w momencie, gdy światło zmienia barwę, powstają z niego dwa fotony. I są one kwantowo splątane – jak opisywane wcześniej bliźniaki. 

W toku doświadczenia Clauser wytwarzał takie pary, po czym je rozdzielał. Każdy foton leciał w innym kierunku. Kolejnym etapem było zbadanie ich polaryzacji. Wykonywało się to za pomocą polaryzatorów, które można opisać jako szczeliny. W zależności od polaryzacji cząstka przelatywała przez szczelinę lub nie. Naukowiec przykładał polaryzatory pod różnymi kątami. Pokazał w ten sposób, że zależność między kierunkami polaryzacji pary cząstek jest zbyt silna, by można ją było wyjaśnić inaczej niż kwantowym splątaniem. 

Jednak największą sławę wśród członków Fundamental Fysiks Group zdobył Fritjof Capra, autor międzynarodowego bestsellera Tao fizyki. Przetłumaczona na 22 języki książka rozeszła się łącznie w ponadmilionowym nakładzie i stała się biblią ruchu New Age. „Teoria kwantowa ujawnia fundamentalną jedność wszechświata. Pokazuje, że nie możemy rozłożyć rzeczywistości na niezależnie istniejące malutkie jednostki. Kiedy badamy materię, natura nie ukazuje nam oddzielnych »klocków«, ale raczej sieć skomplikowanych relacji pomiędzy rozmaitymi częściami całości. Jedną ze stron w tych relacjach jest zawsze obserwator” – pisał Capra. Według niego analogiczny sposób myślenia występuje w religiach i filozofiach: „Podobieństwa te widać nie tylko w hinduistycznych Wedach, w księdze I Ching, buddyjskich sutrach, lecz także we fragmentach Heraklita, w sufizmie Ibn Arabiego i naukach szamana Don Juana z plemienia Yaqui”.

Recenzenci prasowi i zwykli czytelnicy uznali książkę za interesującą, ale w środowisku naukowym spotkała się ona z krytyką: od pobłażliwej do ostrej. „Sednem sprawy jest metodologia Capry – pisał Jeremy Bernstein, teoretyk ze Stevens Institute of Technology – który traktuje przypadkowe zbieżności językowe jako dowody na głęboko sięgające powiązania”. Czytając tę książkę, fizyk „może się poczuć jak ktoś, kto wybrał się na spacer ulicą, którą świetnie zna, i nagle orientuje się, że wszystkie domy zostały przemalowane na różowo” – nie skąpił złośliwości w artykule napisanym dla „New Yorkera”. 

Podobny zarzut – oderwania Capry od naukowej praktyki – sformułował noblista Leon Lederman. W książce Boska cząstka stwierdził, że Fritjof Capra „wychodząc od rozsądnych rozważań o fizyce kwantowej, wykazuje zupełny brak zrozumienia dla misternej sieci powiązań, łączących teorię z eksperymentem, oraz tego, jak wiele potu, trudu i łez kosztuje każdy krok na drodze ewolucji nauki”.

Capra zyskał więc dzięki swojemu bestsellerowi znamienitych przeciwników. Ale zanadto tym się nie przejął. Może dlatego, że mógł się powołać na nie mniej utytułowanych sojuszników: pionierów mechaniki kwantowej, tworzących podwaliny tej nauki w pierwszych dekadach XX w., np. na Wernera Heisenberga (twórcę zasady nieoznaczoności).

„Odbyłem z Heisenbergiem kilka dyskusji – zwierzał się Capra w wywiadzie. – Pokazałem mu cały rękopis, rozdział po rozdziale”. Heisenberg, jak zapewnia Capra, doskonale rozumiał podobieństwa między mechaniką kwantową a filozofią Wschodu. Opowiedział swojemu młodemu koledze o wyprawie, którą odbył do Indii, i o licznych rozmowach z hinduskim myślicielem Rabindranathem Tagorem. Rozmowy te, według relacji Capry, niezwykle pomogły Heisenbergowi w pracy, bo uświadomiły mu, że nowe pomysły w fizyce kwantowej wcale nie są takie zwariowane – że istnieje cała kultura, która wyznaje podobne idee. 

Schrödinger czyta Schopenhauera

I nie ma powodu, by podejrzewać Fritjofa Caprę, że zmyśla lub przesadza. Fizyka europejska przed 100 laty była przesiąknięta filozofią. Nie tylko Heisenberg inspirował się Wschodem. Inny pionier mechaniki kwantowej, Niels Bohr, interesował się myślą chińską. Kiedy został nobilitowany, umieścił w swoim herbie chiński symbol yin-yang, jego zdaniem symbolizujący światło, które czasem zachowuje się jak fala, czasem jak cząstka (jeśli się przyjrzeć temu symbolowi, rzeczywiście można dostrzec dwie fale i dwie cząstki – przypadek?). Bohr wierzył też, że kiedyś będziemy za pomocą mechaniki kwantowej badać ludzką świadomość. 

Jeszcze śmielszy w swoich pomysłach był miłośnik filozofii Schopenhauera Wolfgang Pauli (specjalista od stanów kwantowych elektronów). Hołubił on ideę klarownego mistycyzmu – syntezy myślenia racjonalnego z religią, która miała powstać na gruncie mechaniki kwantowej. (Pod koniec życia napisał książkę wspólnie z psychoanalitykiem Carlem Gustavem Jungiem). 

Z kolei Max Planck był chrześcijaninem ufającym, że religia i nauka są kompatybilne. Erwin Schrödinger (właściciel hipotetycznego kota) to kolejny czytelnik Schopenhauera. Po długich rozmyślaniach doszedł do metafizycznego wniosku, zgodnie z którym „fizyka teoretyczna w obecnym stadium sugeruje, że czas nie jest w stanie zniszczyć umysłu”.

Albert Einstein, przeciwnik teorii kwantowej nieoznaczoności, też był bardzo zainteresowany kwestiami filozoficznymi. On również spędził wiele czasu na rozmowach z Rabindranathem Tagorem (choć trudno powiedzieć, żeby się z nim zgadzał). Miał też talent do formułowania bon motów zawierających słowo „Bóg”, np.: „Nie interesuje mnie to czy tamto zjawisko. Chcę poznać myśli Boga. Reszta to szczegóły”. Swój sprzeciw wobec teorii nieoznaczoności sformułował zaś w zdaniu: „Bóg nie gra w kości”. Był to więc sprzeciw natury filozoficznej.

Jak tłumaczyć to wyjątkowe zainteresowanie ówczesnych fizyków filozofią, religią, a nawet mistyką? Juan Miguel Marin, historyk nauki z Harvardu, twierdzi, że to wpływ kontekstu kulturowego –  ducha czasów i miejsca. Przed II wojną światową mechanika kwantowa rozwijała się przede wszystkim w Niemczech, gdzie rozmyślania o kwestiach najogólniejszych uważano za rzecz zupełnie normalną. Posiadanie własnego światopoglądu filozoficznego było dla kulturalnych ludzi takim samym obowiązkiem, jak dziś posiadanie kulinarnego gustu.

Humanistyka i nauki ścisłe nie były wówczas tak kategorycznie rozdzielone, jak dziś. Matematycy i fizycy czuli się spadkobiercami filozofów. A kwestia relacji między świadomością (lub duchem) a materią (lub przyrodą) znajdowała się w centrum niemieckiej filozofii od stuleci. Żywa też była w Niemczech tradycja mistyczna.

„II wojna światowa spowodowała, że badania zaczęto prowadzić przede wszystkim w krajach anglo- saskich” – tłumaczy Juan Miguel Marin. Fizyka kwantowa znalazła się w zupełnie nowym kontekście, w którym dominowała filozofia analityczna, a sfery religii i nauki skrzętnie rozdzielano.

W dodatku, jak pisze David Kaiser, amerykańska nauka ery zimnej wojny była zorganizowana na sposób militarny – nastawiona na budowanie coraz bardziej skomplikowanych, potężnych urządzeń i świetnie zorganizowanych laboratoriów. Osobiste światopoglądy badaczy przestały mieć znaczenie. I właśnie przeciw takiej wizji nauki, a nie przeciw samemu racjonalnemu myśleniu buntowali się członkowie Fundamental Fysiks Group.

Zmierzch boskiej perspektywy

Kiedy w 1974 r. John Clauser ogłosił wyniki swoich eksperymentów nad kwantowym splątaniem, odzew w świecie naukowym był minimalny. Dopiero po latach zostały one docenione: w 2010 r. Clauser otrzymał Nagrodę Wolfa, drugi po Noblu laur w dziedzinie fizyki. W międzyczasie krok po kroku nauka zmieniała swoje oblicze. Zimno- wojenny model ewoluował w cieplejszym, bardziej ludzkim kierunku. W naukach ścisłych zaczęto dopuszczać do głosu indywidualne światopoglądy i nawiązywać łączność z innymi dyscyplinami. MIT zaprasza na rezydencje artystów. Magazyn „Nature” od 1999 r. publikuje numery specjalne z opowiadaniami s.f. Tygodnik „New Scientist” ostatniej jesieni wydał dodatek poświęcony metafizyce. Naukowcy o odmiennych poglądach filozoficznych znów zaczynają się wzajemnie inspirować i ścierać. Może ma to związek z tym, że pokolenie hipisów, które w młodości walczyło o wolność myśli i możliwość indywidualnej ekspresji, dziś zasiada w uniwersyteckich władzach?

Jeśli chodzi o fizyków dostrzegających podobieństwa między filozofiami Wschodu a zasadami mechaniki kwantowej, to dziś nie trzeba ich szukać na psychodelicznych imprezach w San Francisco. Można ich spotkać na uczelniach, np. w ascetycznych pomieszczeniach piątego piętra Wydziału Fizyki UW na warszawskiej Ochocie. Jednym z nich jest dr Rafał Demkowicz-Dobrzański.

„Mechanika kwantowa to zupełne przemodelowanie sposobu, w jaki poznajemy świat – tłumaczy fizyk. – Wcześniej próbowaliśmy patrzeć na rzeczywistość niejako z góry: z boskiej perspektywy. W badaniu świata kwantowego jest to niemożliwe. Dokonywanie obserwacji wpływa na obiekt; nie da się stworzyć obrazu świata, z którego obserwatora usuniemy. We wcześ- niejszych teoriach poznawaliśmy świat z zewnątrz. Mechanika kwantowa poznaje świat od wewnątrz. Podobieństwa tej teorii do buddyzmu wydają mi się bardzo wyraźne. Dobrze jest to wyłożone w książce Dalajlamy Wszechświat w atomie. Dalajlama przyznaje przy tym, że w razie konfliktu religia i filozofia muszą ustąpić nauce” – podkreśla Demkowicz-Dobrzański.

„Widać pewne podobieństwa między niektórymi interpretacjami mechaniki kwantowej a poglądami buddystów – przyznaje dr Jan Chwedeńczuk, także z Wydziału Fizyki UW – ale widać też różnicę pomiędzy nimi: z jednej strony mamy naukę, która empirycznie sprawdza swoje hipotezy, z drugiej – tradycję religijną. Dlatego jeśli chcemy zrozumieć rolę obserwatora w mechanice kwantowej, powinniśmy stosować metodologię nauk empirycznych, np. zgłębiając teorię i przeprowadzając doświadczenia traktujące obserwatora jak obiekt kwantowy”.

Obaj naukowcy przyznają jednak, że wielu fizyków nie jest zainteresowanych ani wyjaśnieniem roli obserwatora, ani tym bardziej filozoficznymi rozważaniami. Większości wystarcza tzw. interpretacja kopenhaska. Czym ona jest?

„To w istocie nie jest żadna interpretacja – przekonuje Demkowicz-Dobrzański – ale po prostu opis praktyki badawczej, który mówi nam, że jeśli dokonamy pomiaru z jakimś wynikiem, to możemy się spodziewać, z ustalonym prawdopodobieństwem, takiego albo innego wyniku kolejnego pomiaru. I już. Mnie takie podejście nie wystarcza, mechanika kwantowa skłania mnie do rozmyślań”.

„Interpretacja kopenhaska – mówi dr Chwedeńczuk – dostarcza przepisu na to, jak wyznaczyć możliwe wyniki pomiarów i jakie są ich prawdopodobieństwa. Ale nie mówi, czym jest właściwie pomiar, czym jest obserwator i dlaczego, w myśl tej interpretacji, obserwator tak znacząco zmienia własności badanego obiektu kwantowego. W ogóle nie stawia takich pytań. Zresztą większość fizyków nie interesuje się tymi zagadnieniami, wyznając utylitarną maksymę shut up and calculate – nie zastanawiaj się nad tym, czym jest pomiar, tylko stosuj interpretację kopenhaską do prowadzenia konkretnych obliczeń. To w zupełności wystarcza, aby odnosić sukcesy w nauce, łącznie z Nagrodą Nobla”.

Etyka i PKB

We wspominanej już książce Dalajlamy najciekawsza jest chyba różnica pomiędzy tym, jakie znaczenie swoim opisom świata przypisują buddyści, a jakie fizycy. „Nagardżuna dowodzi, że koncepcja niezależnej egzystencji przedmiotów i zjawisk prowadzi do wypaczenia percepcji rzeczywistości, co z kolei zapoczątkowuje łańcuch destrukcyjnych działań i reakcji oraz cierpienia. W ostatecznym rozrachunku teoria pustki nie jest dla Nagardżuny li tylko kwestią konceptualnego ujęcia rzeczywistości – ma głębokie implikacje psychologiczne i etyczne” – pisze Dalajlama.

Takie postawienie sprawy jest obce większości zachodnich naukowców. Rozważania o „etycznych implikacjach” swoich teorii mogliby potraktować wręcz jako ingerencję w swobodę badań. Większość fizyków godzi się na niezwykłe prawa mechaniki kwantowej po prostu dlatego, że sprawdzają się one w praktyce. 

Jak podkreśla Leon Lederman, zastosowania mechaniki kwantowej (np. tranzystory, komputery) generują w krajach rozwiniętych 25% dochodu narodowego brutto (co w przypadku USA daje sumę ponad 4 tryliardów dolarów) i to jest najlepsza miara jej rzeczywistej wartości. Tych, których niezwykłość praw kwantowych zanadto frapuje, Lederman nazywa niespokojnymi duszami. Wszelkie zaś buddyjskie rozmyślania o fundamentalnej jedności wszystkich bytów zbywa żartem: „Czyżby? To ciekawe, czemu rachunki płacimy oddzielnie?”.

Cóż na to odpowiedzieć? Można nieśmiało napomknąć, że są takie kwestie, za które płacimy wspólny rachunek – choćby globalne ociep- lenie. Ale nie skaczmy z tematu na temat. W końcu jest to artykuł pisany na zwykłym komputerze, a nie na metafazowej maszynie do pisania.

Data publikacji: