Czy to możliwe, że maszyneria wszechświata ma u swoich podstaw nie trwały fundament, a jedynie subtelną grę odbić i relacji? Tak uważa Carlo Rovelli, fizyk kwantowy i filozof.
„Nikt nie rozumie mechaniki kwantowej” – mówił Richard Feynman. Carlo Rovelli nie jest tak kategoryczny. Nie twierdzi, że teorii kwantowej nie da się pojąć. Może wydawać się dziwaczna, ale to efekt naszego założenia, że świat w najmniejszej skali musi być podobny do tego w skali makro. Aby oswoić mechanikę kwantową, trzeba na chwilę zapomnieć o Newtonie i absolutnym punkcie widzenia, na którym zasadzała się jego teoria. Wszechświat można poznawać tylko od środka z konkretnej perspektywy.
Rachunki na wyspie
Helgoland – taki tytuł ma książka Carla Rovellego z 2020 r. To także nazwa wyspy na Morzu Północnym, na którą w 1925 r. udał się Werner Heisenberg. Chciał znaleźć wytchnienie od alergii (prawie nie ma tam drzew) i przemyśleć kwestie budowy atomu, o których dyskutował wcześniej ze swoim mistrzem Nielsem Bohrem. Tę zdrowotno-intelektualną wyprawę młodego naukowca zwieńczył jeden z najdonioślejszych przełomów w historii fizyki. Jak to opisywał Heisenberg: „Była już prawie trzecia w nocy, gdy miałem przed sobą końcowy wynik rachunków […]. W pierwszej chwili byłem dogłębnie przerażony. Miałem uczucie, że patrzę poprzez powierzchnię zjawisk atomowych na leżące głębiej pod nią podłoże o zadziwiającej wewnętrznej urodzie […]. Byłem tak podniecony, że nie mogłem myśleć o śnie. Wyszedłem więc z domu o rozpoczynającym się już świtaniu i poszedłem na północny cypel wyżyny, gdzie samotna, wystająca w morze iglica skalna wciąż budziła we mnie ochotę do prób wspinaczkowych. Udało mi się wspiąć na nią bez większych trudności i na jej szczycie doczekałem do wschodu słońca” (cytat za: Helgoland, Carlo Rovelli).
Aby lepiej pojąć ekscytację Heisenberga i wagę jego odkrycia, trzeba cofnąć się do końca XIX w., kiedy nauka zaczęła się wdzierać w subatomową strukturę materii. W 1900 r. Max Planck ogłosił, że energia w przyrodzie występuje nie w dowolnych porcjach, ale w paczuszkach zwanych kwantami. To odkrycie, przyjęte początkowo nieufnie, wkrótce stało się fundamentem mechaniki kwantowej. W 1913 r. Niels Bohr opracował model atomu dostosowany do prawa Plancka. Założył, że orbity elektronowe też muszą przyjmować tylko ściśle określone wartości. Było to niezgodne z prawami elektrodynamiki: w makroskopowym świecie orbity mogą mieć dowolny promień. Nie mówiąc już o tym, że w modelu Bohra elektrony, zmieniając orbitę, jak gdyby się teleportują.
Drugi postulat Bohra też był sprzeczny z klasyczną fizyką: według niego elektron krążący wokół jądra nie emituje energii. A przecież ładunek poruszający się po orbicie powinien być źródłem energii! Bohr stwierdził, że elektron wysyła ją tylko, gdy przeskakuje z orbity wyższej na niższą. Pochłania ją zaś, gdy zmienia orbitę w przeciwnym kierunku. Gdy tylko krąży, nie przekazuje nic. Atom Bohra był więc czymś, co tylko w połowie miało oparcie w tradycyjnej fizyce. Drugą połowę Niels Bohr dodał ad hoc, choć wyraźnie kłóciła się z pierwszą. Taką kwantowo-klasyczną hybrydę zastał, rozpoczynając swoje badania, uczeń Bohra, Werner Heisenberg.
Tylko to, co widać
Heisenberg miał prawo być przerażony i zachwycony wynikiem rozmyślań na wyspie Helgoland. Przerażony, bo zupełnie odciął się od tradycyjnej fizyki. Zachwycony, bo wszystko nabrało matematycznej spójności. Wziąwszy na warsztat model atomu Bohra, Heisenberg odrzucił z niego to, co było pozostałością tradycyjnego myślenia w skali makro. Przestał wyobrażać sobie elektrony jako cząstki krążące po orbitach na podobieństwo planet. Nie pytał już, jak to możliwe, że elektrony znikają z jednej orbity i pojawiają się na innej. Zostawił tylko obserwowalne fakty, czyli przeskoki elektronów, które pochłaniają lub emitują energię. To właśnie dzięki emitowanej energii (w postaci fotonów) możemy te zdarzenia dostrzec. „Wszystko jest dla mnie niejasne i niezrozumiałe, ale wydaje mi się, że elektrony nie poruszają się już po orbitach” – pisał w liście do innego fizyka, Wolfganga Pauliego.
Był rok 1925. W kolejnym Erwin Schrödinger przeprojektował model atomu tak, jakby elektron nie był cząstką, lecz falą (oznaczaną grecką literą Ψ – psi). Pod względem matematycznym wszystko się w tej teorii zgadzało i co ważne, zniknęły dziwaczne przeskoki, obecne w rozwiązaniu Heisenberga. Ale podejście Schrödingera miało zasadniczą wadę: fala rozchodzi się przecież równomiernie, koncentrycznie, a elektron, kiedy się go zaobserwuje, zawsze jest w jednym, konkretnym miejscu. Wyglądało to, jakby cząstka była falą, kiedy na nią nie patrzymy, ale gdy ją już wykryjemy – cząstką.
Rozsądną interpretację tego zjawiska podał kolejny kwantowy pionier, Max Born, uznając, że fali psi nie trzeba traktować jako fizycznie obecnej, lecz jako rozkład prawdopodobieństwa wykrycia elektronu w konkretnym punkcie przestrzeni.
Jednak ta „fala prawdopodobieństwa” wydaje się czymś więcej niż narzędziem matematycznym. Wygląda bowiem na to, że elektrony i inne cząstki rzeczywiście zachowują się czasem jak fale. Można to pokazać eksperymentalnie: jeśli przepuścimy elektrony przez dwie cieniutkie szparki, to na ekranie naprzeciwko nie pojawią się dwie smugi, odpowiadające szparkom, tylko charakterystyczne naprzemienne prążki, które świadczą o tym, że mamy do czynienia z falą. Ta część fali, która przechodzi przez lewą szparkę, oraz ta, która przechodzi przez prawą, nakładają się na siebie, wzmacniając się w niektórych miejscach. Nazywamy to interferencją. Co zaskakujące, da się ją zaobserwować, nawet gdy wypuszczamy po jednym elektronie – każdy następny dokłada nową kropkę do prążkowanego wzoru. Również samotna cząstka zachowuje się jak fala – dopóki nie dotrze do ekranu i tam nie zostanie zarejestrowana w konkretnym punkcie. Wtedy okazuje się, że jest cząstką. Co więcej: gdy zasłonimy jedną szparkę, ów pojedynczy elektron będzie leciał „normalnie” – jakby wiedział, że druga szparka nie jest już otwarta i że nie wymaga się od niego, aby był falą.
Jeśli szparkę po raz kolejny odsłonimy, cząsteczka znów będzie się przemieszczać jak fala, trzeba zatem uznać, że jest w wielu miejscach jednocześnie – ale nie znajdziemy jej w tych wielu miejscach, tylko zawsze w jednym, konkretnym.
O cząsteczce, która znajduje się jakby w wielu miejscach naraz, mówi się, że jest w superpozycji stanów. Ta superpozycja znika, gdy dokonamy pomiaru – co czasem nazywane jest kolapsem funkcji falowej. Pewną wariacją na ten temat jest eksperyment myślowy Schrödingera z kotem: zwierzę zostaje zamknięte w pudełku razem ze sprytnym śmiercionośnym mechanizmem działającym według reguł kwantowych. Dopóki nie dokonamy pomiaru, czyli nie otworzymy pudełka, należy uznać kota za jednocześnie żywego i martwego.
Jak to wszystko powinniśmy rozumieć? Przede wszystkim zaznaczmy, że wcale nie musimy tego rozumieć. Mechanika kwantowa bardzo dobrze funkcjonuje bez rozumienia – jest zbiorem twierdzeń, równań i metod obliczeniowych, które dają świetne wyniki i na podstawie których można budować komputery oraz bomby jądrowe. Takie podejście przyjęło się nazywać interpretacją kopenhaską – od miasta, w którym za sprawą Duńczyka Nielsa Bohra biło w latach 20. XX w. serce teorii kwantowej. Jak jednak dowodzi fizyk i historyk nauki Jim Baggott, interpretacja kopenhaska jest w istocie tworem myślowym powojennych USA. Kontemplacja ostatecznych fundamentów rzeczywistości zeszła wówczas na dalszy plan, na pierwszy zaś wysunęło się opracowywanie algorytmów trafnie przewidujących wyniki doświadczeń, a co za tym idzie mogących stanowić podstawę dla rozwoju techniki. Fizyk David Mermin określił to nastawienie krótko: zamknij się i licz.
Wśród fizyków takie podejście wciąż funkcjonuje i prezentują je często fachowcy o imponujących zasługach. Są jednak również niespokojne duchy, którym trafne obliczenia nie wystarczają, by uznać, że coś naprawdę zrozumiały.
Wszechświaty i fale
Dziś oprócz interpretacji kopenhaskiej najbardziej znaną wykładnią mechaniki kwantowej jest teoria wielu światów. Zgodnie z nią fala psi jest jak najbardziej rzeczywista, a wszystkie dopuszczane przez nią stany istnieją. Obserwator widzi, że cząstka zostawia ślad w konkretnym miejscu, ale on sam też jest opisany przez falę, która zawiera wiele równoprawnych stanów: w równoległym świecie obserwator widzi, że cząstka wylądowała gdzie indziej. Tego rodzaju rozwidlanie się światów dokonuje się nieustannie w niezliczonych miejscach. Świat, w którym żyjemy, to tylko jedna z wielu równolegle istniejących i równoprawnych opcji.
Autorem tej interpretacji był Hugh Everett III. Wyciągnął on z mechaniki kwantowej konsekwencje ostateczne, postulując istnienie uniwersalnej funkcji falowej obejmującej niezliczone możliwe wszechświaty. Kiedy w 1956 r. Everett ogłosił swój pomysł, nie spotkał się on z pozytywnym odzewem, ale od lat 70. idea ma już rzeszę oddanych zwolenników: filozofów, fizyków i miłośników sci-fi. Carlo Rovelli do nich nie należy: „Olbrzymia wszechświatowa fala psi jest niczym ciemna noc Hegla, w której wszystkie krowy są czarne – nie wyjaśnia, sama w sobie, fenomenologicznej rzeczywistości, którą faktycznie obserwujemy” – pisze w Helgolandzie. Innymi słowy: sprowadzenie wszystkiego do wszechobejmującego absolutu nie daje nam żadnej konkretnej wiedzy.
Kolejna wciąż żywa interpretacja to teoria fali pilotującej Louisa de Broglie’a i Davida Bohma. Zgodnie z tym podejściem w doświadczeniu ze szczelinami elektron przelatuje tylko przez jedną z nich, ale prowadzi go fala, która przedostaje się przez obie. Fala ta skłania cząstkę, aby przyjęła konkretną trajektorię. Można w ten sposób wyjaśnić, czemu po zamknięciu otworu, przez który cząstka nie przechodzi, zmienia się jej tor: dzieje się tak, bo wpływamy w ten sposób na falę, która prowadzi cząstkę.
Carlo Rovelli nie jest zwolennikiem również tej interpretacji, która – jak zaznacza – przy odrobinę bardziej skomplikowanych układach może sprawiać problemy. „Fala psi większej liczby cząstek nie jest na przykład sumą fal poszczególnych cząstek, co wynika z faktu, że fala ta nie przemieszcza się w świecie fizycznym, ale w abstrakcyjnej przestrzeni matematycznej” – pisze.
Żadnej esencji
A co w takim razie proponuje sam Rovelli? Włoski naukowiec jest współtwórcą podejścia, które nazywa relacyjną interpretacją mechaniki kwantowej. Oto jak ją przedstawia: „U podstaw »relacyjnej« interpretacji mechaniki kwantowej leży myśl, że teoria opisuje nie to, w jaki sposób obiekty kwantowe ujawniają się nam (lub pewnym szczególnym bytom wykonującym coś, co nazywamy »obserwacją«), lecz to, w jaki sposób każdy obiekt fizyczny ukazuje się każdemu innemu obiektowi i jak dowolne ciało fizyczne oddziałuje na każde inne ciało”.
Trzeba od razu wyjaśnić, czym są obiekty lub ciała fizyczne, które wedle powyższego opisu nawzajem się sobie „ukazują”. Rovelli uważa, że obiekty to nic innego jak ich sposób oddziaływania na inne obiekty. Ciała fizyczne istnieją ze względu na siebie nawzajem. Nie mają jakiegoś niezależnego twardego rdzenia, który zapewniałby im byt niezależnie od wszystkiego. Rzeczywistość jest siecią relacji między obiektami, które są z tymi relacjami równoważne. Kot Schrödingera może wydawać się jednocześnie żywy i martwy tylko dla obserwatora, który jest na zewnątrz pudełka. Z punktu widzenia samego kota sprawa jest rozstrzygnięta.
Koncepcja Carla Rovellego ma niezaprzeczalny powab, który pewnie w dużej mierze wynika z faktu, że jej autor pisze wspaniałe książki przeznaczone dla szerokiego kręgu odbiorców. W Helgolandzie przywołuje nie tylko Wernera Heisenberga oraz innych twórców teorii kwantowej, lecz także austriackiego naukowca Ernsta Macha, radzieckiego filozofa Bogdanowa (znanego ze sporu z Leninem) i Nagardźunę, buddyjskiego myśliciela z II w. n.e. Ten ostatni dowodził, że nie istnieje żadna ostateczna substancja wszystkich rzeczy: zjawiska są puste (co więcej sama pustka też nie jest ich istotą). „Nagardźuna zostawił nam wspaniałe narzędzie do rozważania relacyjności świata kwantowego. Możemy myśleć o wzajemnych relacjach bez powoływania się na istnienie jakiejś autonomicznej esencji” – pisze Rovelli. Ernst Mach to z kolei pozytywista i empirysta, który postulował oczyszczenie nauki ze wszelkiej kategorycznej metafizyki. Z tym że za pojęcia metafizyczne uważał np. koncepcje przyczyny, atomu oraz autonomicznie istniejącego czasu i przestrzeni – tropem tej myśli poszedł potem Einstein.
Z ideą, że nie sposób mówić o absolutnym czasie i absolutnej przestrzeni, wiąże się główna myśl w koncepcji Rovellego, wedle której świata możemy doświadczać tylko od wewnątrz, z jakiejś konkretnej perspektywy. Nie da się uzyskać uniwersalnego punktu widzenia, obiektywnego w stopniu ostatecznym. W jednej z poprzednich książek, Rzeczywistość nie jest tym, czym się wydaje, Rovelli przywołuje postać Brunetta Latiniego, XIII-wiecznego uczonego, i jego traktat Li livres dou Tresor (Skarbiec wiedzy), w którym kulistość Ziemi przedstawiona jest nie w analogii do pomarańczy lub piłki, ale mniej więcej tak: gdyby nie morza i oceany, człowiek, który szedłby przed siebie dostatecznie długo, wróciłby do punktu wyjścia.
Dziś oczywiście potrafimy spojrzeć na planetę z zewnątrz, jednak niewykluczone, że tego rodzaju skromny, wewnętrzny punkt widzenia wciąż może być przydatny, jeśli penetrujemy sprawy ostateczne, chcąc „spojrzeć poprzez powierzchnię zjawisk atomowych na leżące głębiej pod nią podłoże o zadziwiającej wewnętrznej urodzie”. Na poziomie tego podłoża świat – jak twierdzi Rovelli – jest ziarnisty: nie da się go dzielić w nieskończoność, istnieją ostateczne „piksele”. Dlatego nie uciekniemy od kwantowych przeskoków – to tylko nam, istotom z kwantowej perspektywy gigantycznym, wydawać się może, że rzeczywistość jest ciągła.
Na koniec wypada jeszcze napisać, jak koncepcję Rovellego odbierają inni znawcy tematu. Sporo uwagi poświęca jej np. przywoływany już Jim Baggott w książce Kwantowa rzeczywistość. Przyznaje on, że interpretacja relacyjna ma duże zalety, ponieważ dzięki niej wiele pytań, które mogły nas dręczyć, traci sens. Skoro istnieją właściwie jedynie relacje, nie musimy już zadawać sobie wielu niewygodnych pytań. Możemy przestać się głowić, co właściwie fizycznie dzieje się pomiędzy emisją elektronu a jego uderzeniem w ekran po drugiej stronie bariery z dwiema szczelinami. Mamy ślad w konkretnym miejscu i to jest właśnie rzeczywistość z naszej perspektywy. Jim Baggott uważa jednak, że w istocie ta optyka nie odbiega bardzo od podejścia streszczonego w słowach: zamknij się i licz.
Czy rzeczywiście? Na pewno dla szerokiej publiczności różnica jest duża, bo Carlo Rovelli osadza mechanikę nie tylko w zweryfikowanym eksperymentalnie formalizmie matematycznym, ale także w pewnym filozoficznym obrazie świata. Próbuje połączyć nauki ścisłe ze zwykłym, ludzkim doświadczaniem świata. Może jest jak ów wędrowiec Brunetta Latiniego, który po okrążeniu Ziemi wrócił do punktu wyjścia – jednak z jego perspektywy wyprawa ta miała sens.
Podziel się tym tekstem ze znajomymi z zagranicy lub przeczytaj go po angielsku na naszej anglojęzycznej stronie Przekroj.pl/en!
Czytaj również:
