CREDO, QUIA ABSURDUM - wierzę, bo to niedorzeczność - ta sentencja Tertuliana z końca II w. przychodzi na myśl, gdy usiłuje się zgłębić zagadkowe własności mikroświata opisywanego przez mechanikę kwantową. Świat atomów i ich składników okazał się bowiem tak drastycznie różny od naszej ludzkiej - czyli makroskopowej - skali, że samo mówienie o jego własnościach sprawia ogromne problemy i prowadzi często do różnych paradoksów. Tu odwoływanie się do wypróbowanych intuicji oraz tzw. "chłopskiego rozumu" bywa na ogół zawodne. Nie oznacza to jednak, że obiekty mikroświata zachowują się w jakiś zupełnie alogiczny sposób, wręcz przeciwnie, ich zachowaniem rządzą niezwykle rygorystyczne prawa. Są to jednak prawa całkowicie odmienne od tych, których nauczyło nas nasze codzienne doświadczenie życiowe. Fizyka zwana klasyczną, pod którą podwaliny położyli m. in. Galileusz, Newton i ich wielcy kontynuatorzy, opisywała otaczający nas świat w sposób intuicyjnie dość oczywisty. Ciała poruszały się pod wpływem sił, po z góry przewidywalnych trajektoriach, a fale rozchodziły się w ośrodkach zgodnie z ich własnościami. Wszystko było - przynajmniej teoretycznie - doskonale przewidywalne i mierzalne.

ilustracja: Aleksander Jasiński

Treść formuł mechaniki klasycznej da się w zasadzie wypowiedzieć językiem potocznym, bowiem pojęcia takie jak cząstka, fala, prędkość, siła, energia, czas i wiele innych w tym języku funkcjonują i wywołują u odbiorcy właściwe skojarzenia. I o ten język właśnie potknęliśmy się z chwilą poznawania własności obiektów mikrokosmosu. No bo jakże tu nazwać i wyobrazić sobie obiekt, który w pewnych sytuacjach zachowuje się jakby był cząstką (tu od razu nasuwa się wyobrażenie małej kuleczki), a kiedy indziej wykazuje cechy falowe. Opis klasyczny oraz codzienne doświadczenie nauczyły nas przecież, że pojęcia cząstki i fali są całkowicie rozłączne i należą do całkiem innych formalizmów fizycznych: pierwsze do mechaniki punktów materialnych, a drugie do mechaniki ośrodków ciągłych (jak np. hydrodynamika).

O tzw. dualizmie folowo-korpuskularnym mikroobiektów słyszał już chyba niemal każdy. Wspomina się o tym nawet w programie szkolnym. Ale usłyszeć to jedno, a zrozumieć - o, to już całkiem inna sprawa. Z całą pewnością trzymając się logiki "chłopskiego rozumu" wiele tu nie zdziałamy. W znacznym stopniu na logice chłopskiego rozumu opiera się również nasz język potoczny. Próbujemy więc mówić tym językiem, że np. jakiś tam elektron lub foton czasem JEST cząstką, a czasem JEST falą. Otóż on NIE JEST ani jednym ani drugim. Czym on jest, tego naszym codziennym językiem powiedzieć się nie da. Można jedynie użyć sformułowania, iż jest to obiekt (obiekt to pojęcie wystarczająco ogólnikowe), który w pewnych sytuacjach zachowuje się TAK JAK klasyczna cząstka a w innych TAK JAK klasyczna fala. I tyle. Słowa - cząstka i fala - są tu pewnymi metaforami raczej niż ścisłymi określeniami, które można traktować dosłownie.

Fizyka kwantowa przyswoiła sobie wiele pojęć z języka klasycznego, lecz pojęcia te funkcjonują w niej często jako pewne metafory, mimo, że przypisano im różne wielkości matematyczne ujęte w odpowiednie równania. Już sam współtwórca mechaniki kwantowej - W. Heisenberg - wyczuwał te kłopoty gdy pisał: "Najtrudniejszy problem dotyczący wykorzystania języka pojawia się w teorii kwantów. Nie mieliśmy z początku żadnej, nawet prostej wskazówki, jak skorelować symbole matematyczne z pojęciami codziennego języka. Jedyne co od początku wiemy, to fakt, że powszechnych pojęć nie można zastosować do struktur atomowych". Mamy więc klasyczną sytuację, kiedy - jak mówił poeta - "język myślom kłamie".

Paradoksalność dualizmu falowo-korpuskularnego tkwi w znacznym stopniu w naszym języku. Można tu użyć pewnego porównania z radiem, które czasem gra JAK gitara, a kiedy indziej JAK fortepian. Lecz, jak wiemy, radio gitarą ani fortepianem NIE JEST. Radio to radio. Tylko jak to wytłumaczyć muzykowi sprzed dwustu lat, który słuchałby tej grającej skrzynki? Czy ludzie z tej epoki przy zetknięciu z naszym radiem lub magnetofonem też by wymyślili jakiś "dualizm gitarowo-fortepianowy"?

Jak więc, w kontekście opisanych wyżej problemów językowych wygląda szansa na właściwe zrozumienie mechaniki kwantowej, na zrozumienie i zinterpretowanie tego wszystkiego co zawierają w sobie jej obiekty matematyczne oraz równania. Będzie to może zaskakujące dla części czytelników gdy powiem, że nawet wielu fizyków (może i większość) do końca jej nie rozumie. Spotkać można wśród wielkich tego świata (np. R. Penrose) opinię, że tak do samego końca to wręcz nikt jej nie rozumie. Fizycy używający do swych celów mechaniki kwantowej najczęściej po prostu sprawnie rozwiązują odpowiednie równania, wyliczają przewidywane wyniki pomiarów i konfrontują je z doświadczeniem. I jak dotychczas wszystko znakomicie się zgadza. Funkcjonują nawet liczne urządzenia oparte na zjawiskach kwantowych. Ale wszystko to nie oznacza jeszcze, że istotnie ROZUMIEMY różne paradoksalne własności mikroobiektów. Jesteśmy tu trochę jak przeciętny użytkownik telewizora, który sprawnie potrafi wciskać klawisze, ustawić kontrast i jasność obrazu, wybierać programy, lecz o fizycznych zasadach działania tegoż odbiornika ma dość mgliste pojęcie. Fizyk nagabywany o różne paradoksy mechaniki kwantowej najpierw intensywnie macha rękami a ostateczna jego odpowiedz na wszelkie - "dlaczego" - sprowadza się do: "no bo tak już jest w mikroświecie". Czyli znowu - credo, quia absurdum.

Owszem, są i tacy, którzy próbują dotrzeć do sedna zagadek kwantowych. Czasem to się nawet źle kończy. S. Weinberg opisuje taką historię. Jeden z jego równie wielkich kolegów po fachu miał onegdaj młodego i wielce zdolnego doktoranta. Przywoził go nawet na międzynarodowe konferencje, gdzie ów młody człowiek prezentował całkiem obiecujące osiągnięcia z teorii kwantów. Po dwóch latach, na kolejnej konferencji nie było już wśród uczestników młodego doktoranta. Weinberg spytał więc swojego znajomego -

- A cóż to się stało, że nie przyjechał twój zdolny uczeń?

- Niestety - odrzekł kolega Weinberga smutno kiwając głową - nie pracuje już naukowo.

- A czemuż to. Czyżby nie zrobił doktoratu?

- Nie, on usiłował ZROZUMIEĆ mechanikę kwantową.

No cóż. Bywa i tak. Zapewne wielu z czytelników słyszało o wieloletnich sporach A. Einsteina z N. Bohrem o tzw. kopenhaską interpretację mechaniki kwantowej, w tym o zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Einstein do końca dni swoich nie mógł pogodzić się z tą interpretacją, chociaż to właśnie za prace w zakresie mechaniki kwantowej otrzymał nagrodę Nobla.

Dzisiejsze możliwości techniczne pozwalają na eksperymenty, które w czasach Einsteina, Bohra i Heisenberga można było jedynie sobie wyobrażać. Każdy eksperyment fizyczny polega na tym, że za pośrednictwem jakichś przyrządów oddziałujemy na badany obiekt, starając się czegoś o tym obiekcie dowiedzieć (czyli wykonać pomiar). Gdy obiekt jest duży (makroskopowy) to wpływ przyrządu na niego można uczynić zaniedbywalnym. Np. gdy mierzymy radarem prędkość samochodu, to wpływ fal radiowych radaru na pęd samochodu jest do pominięcia. Nie uwzględniamy go. W mikroświecie każde wtargnięcie do badanego układu powoduje "spustoszenie". Każdy pomiar coś psuje w mierzonym układzie. Część informacji przy tym tracimy. Na obiekty kwantowe nie można nawet bezkarnie "popatrzeć". Samo popatrzenie zmienia stan takiego obiektu.

Ciekawy eksperyment wykonano kilka lat temu obserwując zwykły rozpad promieniotwórczy. Stare, od stu lat niemal znane zjawisko. Charakteryzuje je wielkość zwana czasem połowicznego rozpadu - czyli czas, po którym połowa jąder atomowych próbki ulegnie rozpadowi. Wiemy, że będzie to połowa, tylko nie wiadomo, które konkretnie atomy się rozpadną. Sam pojedynczy rozpad jest procesem kwantowym. Finezja tego eksperymentu polegała na tym, że udało się wprost obserwować poszczególne atomy radioaktywnej próbki czekając na ich rozpad. Chciano niejako "złapać na gorącym uczynku" rozpadające się jądro atomowe. I co się stało? Ano nie chciały się rozpadać. Jakby się wstydziły, że się je podgląda. Gdy obserwacje przerwano, rozpad wrócił do normy.

Inna grupa eksperymentów zainicjowana w latach osiemdziesiątych przez A. Aspecta i w różnych wariantach kontynuowana obecnie bada tzw. "nielokalne efekty" mechaniki kwantowej. Z grubsza biorąc wygląda to następująco. W jakimś elementarnym procesie fizycznym wyprodukować można dwa fotony. Może to być np. anihilacja cząstki z jej antycząstką. Powstają z tego dwa fotony rozbiegające się w przeciwnych kierunkach. Z punktu widzenia fizyki klasycznej są to dwa odrębne obiekty fizyczne, żyjące już każdy własnym życiem. Pomiar dokonany na jednym fotonie nie powinien mieć żadnego wpływu na pomiary dokonane na drugim z nich. A co się okazało? Okazało się, że wręcz przeciwnie. Pomiary wykonywane na jednym z fotonów natychmiast odbijały się na pewnych cechach tego drugiego, nawet jeśli odległość między nimi była bardzo duża. W opisie kwantowym te dwa bliźniacze fotony, które powstały w jednym miejscu i potem rozbiegły się, cały czas stanowią jakby jeden obiekt, choćby dzieliła je odległość wielu lat świetlnych. A najciekawsza jest ta natychmiastowa reakcja drugiego fotonu na pomiary wykonywane na pierwszym. Najdosłowniej natychmiastowa. Czyżby możliwość nadświetlnego przesyłania informacji? Niestety, tak dobrze to nie jest. Informacji na poziomie klasycznym taki proces nie przenosi. Lecz i tak zjawisko jest dość osobliwe.

Eksperymenty z pojedynczymi fotonami i innymi cząstkami elementarnymi, choć w różnych wariantach, przeprowadza się cały czas. Pojawiły się w tym kontekście takie nowe pojęcia jak kwantowa teleportacja, kwantowa kryptografia czy kwantowe komputery (procesory). Całkiem nowe dziedziny wykorzystujące osobliwe własności stanów kwantowych. Obiecująco zarysowują się też nowe możliwości technologii opartej na wyżej wymienionych zjawiskach.

Jeszcze jedna ciekawa koncepcja pojawiła się niedawno w związku z eksperymentami Aspecta i im podobnymi. Wynika z nich, że dwa lub więcej obiektów mikroświata powstających w jednym miejscu i we wspólnym oddziaływaniu "pamięta" później cały czas o tym wspólnym pochodzeniu i stanowi nadal jakby jedną kwantową całość. A przecież kilkanaście miliardów lat temu - zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu - wszystkie cząstki wszechświata były w stanie bezpośredniego oddziaływania. Czy pamiętają one do dziś o swych dawnych wspólnych narodzinach? Czy w tym kontekście cały wszechświat jest czymś w rodzaju gigantycznego i jednolitego obiektu kwantowego? Myśl, że cokolwiek dzieje się tu i teraz z nami i wokół nas miałoby jakieś natychmiastowe odbicie na losach atomów a galaktyce Andromedy lub w odległym kwazarze, brzmi raczej absurdalnie. Lecz mechanika kwantowa nie raz już nas zaskakiwała swoimi osobliwościami. Pozostaje nam więc - credo, quia absurdum.

(30. IV. 1999).