Co się dzieje w świecie kwantów? ebook

Wpro­wa­dze­nie

Łu­kasz Lamża

Żeby zro­zu­mieć, jak dziwny jest tak na­prawdę świat kwan­towy, mu­simy za­cząć od przyj­rze­nia się temu „nor­mal­nemu” światu ży­cia co­dzien­nego, który w tej książce bę­dziemy okre­ślać jako „kla­syczny”. Jesz­cze wcze­śniej wy­pa­da­łoby jed­nak po­świę­cić chwilkę sa­memu słowu „świat”, od­po­wia­da­jąc przy oka­zji na kło­po­tliwe py­ta­nie: dla­czego wła­ści­wie mó­wimy o dwóch róż­nych świa­tach? Czy nie po­wi­nien ist­nieć je­den? Dla­czego w ogóle dzie­limy rze­czy­wi­stość na czę­ści?

Świat, czyli co?

Zdra­dzę Wam se­kret: tak na­prawdę nikt do końca nie wie, jaki jest świat. Wy­obraźmy so­bie, że wy­bie­ramy się w wielką po­dróż ba­daw­czą, od­wie­dza­jąc przed­sta­wi­cieli kil­ku­dzie­się­ciu naj­więk­szych grup et­nicz­nych świata, w każ­dej z nich roz­ma­wia­jąc tylko z ludźmi po­wszech­nie uzna­wa­nymi za naj­mę­dr­szych i naj­bar­dziej do­świad­czo­nych ży­ciowo. Na­stęp­nie skła­damy wi­zytę u kil­ku­set sta­ran­nie wy­bra­nych eks­per­tów, po­czy­na­jąc od fi­zy­ków, ko­smo­lo­gów i in­nych na­ukow­ców, na­stęp­nie fi­lo­zo­fów i teo­lo­gów, przed­sta­wi­cieli grup re­li­gij­nych, a po­tem wiel­kich li­te­ra­tów i ar­ty­stów, No­bli­stów i tak da­lej. Wszyst­kim tym lu­dziom za­da­jemy tylko jedno py­ta­nie: „Co ist­nieje?”.

Po paru la­tach spę­dzo­nych na ta­kiej wę­drówce oraz sta­ran­nej ana­li­zie na­grań i no­ta­tek oka­za­łoby się, że my, lu­dzie, nie mamy w żad­nym sen­sie so­lid­nej, usta­lo­nej wie­dzy na te­mat tego, co ist­nieje. Na li­ście rze­czy „po­waż­nie po­dej­rze­wa­nych o to, że ist­nieją”, zna­la­złyby się pew­nie: przed­mioty ota­cza­ją­cego nas świata, po­tem gwiazdy i ga­lak­tyki, atomy, cząstki ele­men­tarne i pola; po­tem róż­nego ro­dzaju siły ży­ciowe i du­chowe, du­sze ludz­kie i du­chy oży­wia­jące od we­wnątrz inne stwo­rze­nia; bo­go­wie, anio­ło­wie i roz­ma­ite bez­oso­bowe ko­smiczne siły stwór­cze lub po­rząd­ku­jące; liczby, pro­por­cje i prawa ma­te­ma­tyczne; mi­łość, prawda, wiara i spra­wie­dli­wość... i tak da­lej. Z na­szej wy­prawy ba­daw­czej wró­ci­li­by­śmy z po­waż­nym za­wro­tem głowy i bra­kiem, choćby w za­ląż­ko­wej wer­sji, cze­goś ta­kiego, jak kon­sen­sus.

To jed­nak prze­cież oczy­wi­ste – mógłby ktoś od­po­wie­dzieć. Je­śli za­py­tamy ty­be­tań­skiego ascetę, fi­lo­zofa zaj­mu­ją­cego się za­wo­dowo me­ta­fi­zyką i ko­smo­loga z Cam­bridge o struk­turę świata, oczy­wi­ście uzy­skamy inne od­po­wie­dzi. Nas in­te­re­suje jed­nak prze­cież coś znacz­nie bar­dziej skrom­nego – bu­dowa świata fi­zycz­nego. Oka­zuje się, że na­wet gdy­by­śmy ogra­ni­czyli na­szą próbę ba­daw­czą do fi­zy­ków, wy­bie­ra­jąc tylko naj­bar­dziej sza­no­wa­nych przed­sta­wi­cieli tej ga­łęzi na­uki, otrzy­ma­li­by­śmy osza­ła­mia­jące bo­gac­two wi­zji świata. Nasi roz­mówcy nie by­liby wcale zgodni co do tego, co tak na­prawdę ist­nieje – i ja­kie wła­ści­wie jest to, co ist­nieje. Za dużą część tego nie­po­ro­zu­mie­nia od­po­wia­da­łaby zaś fi­zyka kwan­towa: choć jest ona do­sko­na­łym na­rzę­dziem po­znaw­czym, bar­dzo trudno jest od­po­wie­dzieć na py­ta­nie, co mówi nam o świe­cie.

Kiedy mó­wię „świat”, mam więc na my­śli z grub­sza: „zbiór rze­czy, które uwa­żamy za ist­nie­jące, po­sia­da­jące okre­ślone ce­chy i spo­sób za­cho­wy­wa­nia się”. Gdy­by­śmy chcieli po­ku­sić się o nieco więk­szą pre­cy­zję fi­lo­zo­ficzną, praw­do­po­dob­nie mu­sie­li­by­śmy wy­ja­śnić, że cho­dzi nam kon­kret­nie o tak zwany „świat ze­wnętrzny”, zwany też „świa­tem przy­rody”, co z ko­lei skie­ro­wa­łoby na­sze kroki ku py­ta­niu o źró­dła wie­dzy, po­zna­nie em­pi­ryczne i tak da­lej. To nie są wcale kwe­stie czy­sto ko­sme­tyczne! Gdy przyj­rzeć się hi­sto­rii fi­zyki dwu­dzie­sto­wiecz­nej, oka­zuje się, że ba­da­nie teo­rii kwan­to­wej na­tu­ral­nie pro­wa­dzi do wła­śnie tych py­tań, a każdy w za­sa­dzie twórca tej teo­rii zo­stał na pew­nym eta­pie ży­cia po­cią­gnięty w stronę fi­lo­zo­fii. To nie przy­pa­dek. Nie­uchron­ność, z jaką fi­zyka kwan­towa pro­wa­dzi do naj­głęb­szych py­tań fi­lo­zo­ficz­nych, była zresztą jedną z przy­czyn, dla któ­rych po­sta­no­wi­li­śmy na­pi­sać ni­niej­szą książkę. Na ra­zie jed­nak mo­żemy spo­koj­nie po­prze­stać na tym wstęp­nym ro­zu­mie­niu, czym jest świat.

Każdy z nas stwa­rza so­bie swoją wła­sną, pry­watną wi­zję świata, praw­do­po­dob­nie w du­żym stop­niu in­spi­ro­waną tym, co za­sły­sze­li­śmy od człon­ków swo­jej kul­tury, zwłasz­cza ro­dzi­ców, na­uczy­cieli i in­nych au­to­ry­te­tów, oraz tym, co wy­czy­ta­li­śmy w książ­kach. Roz­ma­ite cy­wi­li­za­cje z bie­giem czasu opra­co­wują czę­sto swoje wła­sne „stan­dar­dowe” wi­zje świata. Wy­kształ­cony XV-wieczny Eu­ro­pej­czyk, przy­kła­dowo, za­gad­nięty na ulicy Kra­kowa, Pragi czy Pa­ryża, praw­do­po­dob­nie od­po­wie­działby, że ist­nieją sfery pla­ne­tarne i gwiazdy stałe, a za nimi pro­mie­nieje świa­tło Boże; że świat składa się z roz­ma­itych sub­stan­cji, esen­cji i ży­wio­łów, roz­pro­szo­nych w ma­te­ria­łach i po­ży­wie­niu, bę­dą­cych pod wpły­wem pla­net... i tak da­lej.

Na­uka to szcze­gól­nego typu przed­się­wzię­cie, które sku­pione jest na świe­cie fi­zycz­nym, pro­wa­dzące do co­raz lep­szego zro­zu­mie­nia go, stale ko­ry­go­wa­nego przez eks­pe­ry­ment i za­sto­so­wa­nia. Mo­głoby się więc wy­da­wać, że „świat taki, ja­kim opi­suje go na­uka” jest w pew­nym sen­sie wy­róż­niony po­znaw­czo – i rze­czy­wi­ście tak jest. Trudno zna­leźć me­todę „kon­stru­owa­nia świa­tów”, która by­łaby bar­dziej sys­te­ma­tyczna i ostrożna – choć oczy­wi­ście na­uka, jak każdy wy­na­la­zek czło­wieka, nie jest nie­za­wodna. Szcze­gól­nego typu sła­bo­ścią na­uki, bę­dącą rów­no­cze­śnie źró­dłem jej wiel­kiej po­tęgi, jest jej cią­gła zmien­ność. Świat ta­kim, ja­kim go opi­sy­wał na­uko­wiec XVII-wieczny, jest zu­peł­nie inny od tego, ja­kim go opi­sy­wano w XIX wieku czy na po­czątku XXI wieku, a za ko­lejne sto lat z pew­no­ścią bę­dzie on jesz­cze inny. Ni­niej­sza książka po­świę­cona jest ze­sta­wie­niu ze sobą dwóch tego typu świa­tów.

Je­den z nich to „świat kla­syczny”. Co cie­kawe, sta­nowi on tak na­prawdę tylko nie­znacz­nie do­pre­cy­zo­waną wer­sję tego, w jaki spo­sób po­tocz­nie wy­obra­żamy so­bie rze­czy­wi­stość fi­zyczną. W dal­szej czę­ści książki opi­szemy ten świat nieco do­kład­niej. Z punktu wi­dze­nia fi­zyka jest on opi­sy­wany przez me­cha­nikę kla­syczną – na­ukę o po­ło­że­niach, pręd­ko­ściach, przy­spie­sze­niach, si­łach i tak da­lej. Areną dla niego jest zaś swoj­ska, pła­ska, bez­pieczna, in­tu­icyjna prze­strzeń trój­wy­mia­rowa. W tego typu świe­cie żyli na­ukowcy jesz­cze na po­czątku XIX wieku, a z nie­wiel­kimi mo­dy­fi­ka­cjami aż do po­czątku XX wieku. Po­tem hi­sto­ria za­częła się kom­pli­ko­wać.

Po pierw­sze, znacz­nie po­sze­rzył się nam Ko­smos za sprawą no­wego ję­zyka opisu prze­strzeni, opra­co­wa­nego przez Ein­ste­ina oraz jego na­uczy­cieli i na­stęp­ców, a także sze­regu od­kryć ko­smo­lo­gicz­nych, zwłasz­cza za­ob­ser­wo­wa­nia ga­lak­tyk poza Drogą Mleczną oraz tego, że wy­dają się od nas od­da­lać. Wsku­tek tych prze­mian, z któ­rych wy­ro­sła współ­cze­sna (tzw. „re­la­ty­wi­styczna”) ko­smo­lo­gia fi­zyczna, zna­leź­li­śmy się na­gle w zu­peł­nie in­nym Ko­smo­sie niż ten, jaki wy­obra­żali so­bie nasi przod­ko­wie. To Ko­smos wielki i pa­ra­dok­salny: praw­do­po­dob­nie nie­skoń­czony prze­strzen­nie, a przy tym stale się roz­sze­rza­jący; Ko­smos, w któ­rym w róż­nych miej­scach czas pły­nie w in­nym tem­pie; Ko­smos, który miał swój go­rący i cha­otyczny po­czą­tek. Ta książka nie bę­dzie jed­nak do­ty­czyła prze­mian na­szego ro­zu­mie­nia świata w tej naj­szer­szej, ko­smicz­nej skali.

Drugą wielką prze­mianą była bo­wiem re­wo­lu­cja kwan­towa. W wy­niku sze­regu co­raz to bar­dziej nie­sa­mo­wi­tych od­kryć eks­pe­ry­men­tal­nych oraz roz­woju no­wego apa­ratu ma­te­ma­tycz­nego, przed na­szymi oczami za­czął się ry­so­wać świat czą­stek i pól, które za­cho­wują się zu­peł­nie ina­czej niż ele­menty „świata kla­sycz­nego”. Co gor­sza, nie­które z cech pro­ce­sów kwan­to­wych nie są na­wet po pro­stu „dziwne”, lecz kom­plet­nie wręcz nie­wy­ra­żalne: bywa tak, że od strony ma­te­ma­tycz­nej i ilo­ścio­wej wszystko ma sens i pro­wa­dzi do do­brych prze­wi­dy­wań, jed­nak próby wy­ra­że­nia sło­wami, co „tak na­prawdę” dzieje się z ak­to­rami bio­rą­cymi udział w tych pro­ce­sach, speł­zają na ni­czym. Ko­smos w skali naj­więk­szej jest dziwny i nie­in­tu­icyjny, jego naj­waż­niej­sze ce­chy można jed­nak przy­naj­mniej w miarę do­brze wy­ra­zić ję­zy­kowo. Świat kwan­towy wy­daje się jed­nak sta­wiać wy­zwa­nie sa­mej lo­gice na­szego ję­zyka.

Sy­tu­acja na „rynku świa­tów” jest więc dość in­te­re­su­jąca. Więk­szość z nas przy­swo­iła już so­bie bez więk­szego bólu naj­waż­niej­sze ce­chy współ­cze­snej wi­zji ko­smo­lo­gicz­nej. Bez za­jąk­nię­cia mó­wimy o Wiel­kim Wy­bu­chu, od­le­głych ga­lak­ty­kach i po­wsta­wa­niu pla­net wo­kół no­wych słońc. Na­prawdę ży­jemy już – na po­zio­mie szcze­rego, na­wet nie­wy­ra­żo­nego sło­wami prze­ko­na­nia – w wiel­kim Ko­smo­sie, o któ­rym mówi współ­cze­sna na­uka. Wciąż jed­nak nie po­tra­fimy za­ak­cep­to­wać, że nie cały ów Ko­smos jest „kla­syczny” – że ce­chy, które słusz­nie przy­pi­su­jemy kub­kom z kawą, jabł­kom czy pla­ne­tom, nie mogą być przy­pi­sane ato­mom i elek­tro­nom. Za­py­tani przez wspo­mnia­nego wy­żej wę­drow­nego dzien­ni­ka­rza-fi­lo­zofa, jaki jest świat, praw­do­po­dob­nie opi­sa­li­by­śmy więc świat kla­syczny. Fi­zycy tym­cza­sem już od ład­nych kilku po­ko­leń sta­now­czo twier­dzą, że rze­czy­wi­stość w skali mi­kro­sko­po­wej wcale nie za­cho­wuje się w spo­sób kla­syczny, przy­zna­jąc rów­no­cze­śnie, że w skali ludz­kiego do­świad­cze­nia co­dzien­nego nie ma po tym wła­ści­wie żad­nych śla­dów. Wy­pro­wa­dze­nie „świata kla­sycz­nego” ze „świata kwan­to­wego” jest zaś co naj­mniej pro­ble­ma­tyczne.

To na­prawdę dzi­waczna sy­tu­acja. Znamy z hi­sto­rii przy­padki naj­prze­dziw­niej­szych ob­ra­zów świata, ale by świat fi­zyczny, w któ­rym je­ste­śmy za­nu­rzeni, był roz­sz­cze­piony na dwa zu­peł­nie od­mienne światy, nie­zgrab­nie ze sobą zszyte gdzieś głę­boko w skali na­no­me­trów? Ni­niej­sza książka po­świę­cona jest wy­ja­śnie­niu, czym wła­ści­wie świat kwan­towy różni się od kla­sycz­nego, jak na to re­ago­wała spo­łecz­ność osłu­pia­łych fi­zy­ków, oraz jak można zszyć ze sobą te dwa światy.

Świat kla­syczny

Do­syć tych wstę­pów. Za­cznijmy może od wy­ja­śnie­nia, co tak na­prawdę mamy na my­śli, gdy mó­wimy „świat kla­syczny”.

Aby po­znać świat kla­syczny, wy­star­czy się ro­zej­rzeć i wziąć do ręki do­wolną rzecz, na przy­kład man­da­rynkę. Cała me­cha­nika kla­syczna to tak na­prawdę sfor­ma­li­zo­wana in­tu­icja co­dzienna. Cóż więc mówi nam taka in­tu­icja?

1. Świat można po­dzie­lić na po­szcze­gólne przed­mioty, po­sia­da­jące swoje mniej czy bar­dziej ostre gra­nice. Cza­sem zda­rza im się oczy­wi­ście roz­dzie­lać – jak wtedy, gdy od­kra­wamy kromkę chleba, albo łą­czyć – gdy wsy­pu­jemy sól do zupy. To jed­nak tylko chwi­lowe prze­ta­so­wa­nia we względ­nie ja­snym po­dziale świata na przed­mioty.

In­tu­icja ta pięk­nie wpi­sała się w sta­ro­żytną dok­trynę ato­mi­zmu, zgod­nie z którą świat można po­dzie­lić na naj­mniej­sze, nie­po­dzielne już ele­menty. Dziś w od­nie­sie­niu do tych ele­men­tów praw­do­po­dob­nie nie uży­li­by­śmy słowa „atom”, po­nie­waż ter­min ten zo­stał przy­własz­czony w XVIII i XIX wieku przez fi­zy­ków, któ­rzy okre­ślają w ten spo­sób je­den z ele­men­tar­nych skład­ni­ków ma­te­rii. Tak ro­zu­miany atom nie jest oczy­wi­ście nie­po­dzielny – składa się z elek­tro­nów oraz ją­dra ato­mo­wego, to zaś zbu­do­wane jest z pew­nej liczby nu­kle­onów: pro­to­nów i neu­tro­nów. W dru­giej po­ło­wie XX wieku opra­co­wana zaś zo­stała teo­ria kwar­ków, zgod­nie z którą ist­nieje jesz­cze głęb­szy po­ziom bu­dowy ma­te­rii: we­dle tej teo­rii za­równo pro­tony, jak i neu­trony skła­dają się z kwar­ków, i to one są zgod­nie z obec­nym sta­nem wie­dzy cząst­kami praw­dzi­wie ele­men­tar­nymi. To wła­śnie po­ję­cie – „cząstka ele­men­tarna” – sta­nowi, na­wia­sem mó­wiąc, naj­lep­szy chyba współ­cze­sny od­po­wied­nik sta­ro­żyt­nego ter­minu „atom”. Atom (fi­zyczny) nie jest więc ato­mem (fi­lo­zo­ficz­nym)!

Ze względu na to, o czym mó­wimy obec­nie, nie jest jed­nak tak na­prawdę istotne, czy kwarki sta­no­wią ostatni krok na dro­dze ku na­prawdę nie­roz­kła­dal­nym ele­men­tom rze­czy­wi­sto­ści fi­zycz­nej. Rzecz w tym, że roz­wój che­mii i fi­zyki atomu do­pro­wa­dził do po­twier­dze­nia na­szej pier­wot­nej in­tu­icji, iż świat składa się z przed­mio­tów. Na­wet przy­padki kło­po­tliwe (Czy wy­pły­wa­jąca z kranu woda to je­den przed­miot? A co z chmu­rami albo at­mos­ferą?) można za­wsze spro­wa­dzić do ato­mów (fi­lo­zo­ficz­nych).

To jed­nak nie ko­niec. Prze­ko­na­nie, że świat jest na fun­da­men­tal­nym po­zio­mie skoń­czo­nym zbio­rem przed­mio­tów, pro­wa­dzi na­tu­ral­nie do spo­sobu my­śle­nia, który okre­śla się jako re­duk­cjo­nizm. Je­śli chcę po­znać ja­ki­kol­wiek przed­miot, po­wi­nie­nem roz­ło­żyć go na „czę­ści pierw­sze”, zba­dać owe ele­menty skła­dowe, a na­stęp­nie zsu­mo­wać uzy­skaną wie­dzę. Jest to, jak wszystko opi­sy­wane w tym roz­dziale, tak na­prawdę idea zdro­wo­roz­sąd­kowa. Gdy na­pra­wiamy sa­mo­chód, szu­kamy czę­ści, która się ze­psuła – spraw­dzamy więc wszyst­kie po ko­lei, aż zlo­ka­li­zu­jemy usterkę. Gdy z lo­dówki wy­do­bywa się nie­przy­jemny za­pach, szu­kamy ar­ty­kułu spo­żyw­czego, który się prze­ter­mi­no­wał. Gdy chcę po­wie­dzieć coś ogól­nego i praw­dzi­wego o ssa­kach, albo o pla­ne­tach Układu Sło­necz­nego, po­wi­nie­nem naj­pierw przyj­rzeć się wszyst­kim 6540 ga­tun­kom ssa­ków i wszyst­kim 8 pla­ne­tom. Krótko mó­wiąc, wie­dza o pew­nej ca­ło­ści po­cho­dzi z wie­dzy o jej czę­ściach. Tak wy­ra­żone prze­ko­na­nie to wła­śnie re­duk­cjo­nizm (w roz­dziale IV.3. po­wiemy jesz­cze nieco wię­cej na te­mat tego po­ję­cia).

Aby re­duk­cjo­nizm „dzia­łał”, po­trzebne jest jesz­cze jedno za­ło­że­nie – tak chyba oczy­wi­ste, że praw­do­po­dob­nie więk­szość z nas nie wy­po­wiada go zwy­kle na głos. To jed­nak ce­cha wspólna wszyst­kiego, co składa się na „kla­syczny ob­raz świata”: jed­nak są to tylko w grun­cie rze­czy ba­nalne oczy­wi­sto­ści. Mowa o tym, że owe przed­mioty, czy zło­żone, czy pro­ste („atomy”), mają pewne usta­lone wła­ści­wo­ści. Są ta­kie, a nie inne. W szcze­gól­no­ści, masa jabłka albo liczba ato­mów, z któ­rych jest ono zbu­do­wane, albo to, który ele­ment sil­nika wy­maga na­prawy, nie wy­nika z mo­jej („su­biek­tyw­nej”) opi­nii, lecz jest („obiek­tywną”) ce­chą świata. Każdy przed­miot skła­da­jący się na świat ma swoje wła­ści­wo­ści, co można wy­obra­zić so­bie jako przy­cze­pioną do niego metkę. W przy­padku czą­stek ele­men­tar­nych li­sta tych wła­ści­wo­ści jest skoń­czona. Ot, elek­tron (opi­sany czę­ściowo w du­chu fi­zyki kla­sycz­nej) mógłby po­sia­dać ta­kie na przy­kład pa­ra­me­try: 1) masę; 2) ła­du­nek elek­tryczny; 3) spin; 4) po­ło­że­nie; 5) pręd­kość. I tyle. Po­da­nie tych pię­ciu pa­ra­me­trów cał­ko­wi­cie wy­czer­puje wie­dzę, jaką można mieć na te­mat tego kon­kret­nego elek­tronu. Elek­tron po pro­stu obiek­tyw­nie jest wła­śnie taki i w każ­dej chwili czasu cha­rak­te­ry­zuje go pe­wien za­mknięty zbiór pa­ra­me­trów. Prze­ko­na­nie to można by okre­ślić jako re­alizm wła­sno­ści – wła­sno­ści przed­mio­tów ist­nieją w każ­dej chwili, nie­za­leż­nie od tego, czy ktoś je w da­nym mo­men­cie bada, czy nie.

2. Druga „za­sada kla­sycz­no­ści” może wy­da­wać się nieco mniej oczy­wi­sta, ale po chwili na­my­słu trudno się z nią nie zgo­dzić: przed­mioty od­dzia­łują tylko z tym, z czym wcho­dzą w bez­po­średni kon­takt. Man­da­rynka na­grzewa się od mo­jej ręki, ale nie od ręki czło­wieka znaj­du­ją­cego się na dru­gim końcu po­koju albo w Chi­nach. Oczy­wi­ście, znaj­du­jące się w po­miesz­cze­niu osoby w pew­nym stop­niu pod­wyż­szają tem­pe­ra­turę man­da­rynki, jed­nak do­ko­nuje się to za po­śred­nic­twem po­wie­trza – musi więc naj­pierw dojść do bez­po­śred­niego kon­taktu skóry z po­wie­trzem, a po­tem po­wie­trza ze skórką man­da­rynki. Je­żeli Słońce na­grzewa man­da­rynkę, to tylko w tym sen­sie, że wy­syła po­słań­ców – fo­tony – które prze­ka­zują ener­gię bez­po­śred­nio, oso­bi­ście. Ba, po­tra­fimy dziś wy­zna­czyć, ile czasu to zaj­muje, po­nie­waż wiemy, z jaką pręd­ko­ścią po­ru­szają się fo­tony. Krótko mó­wiąc, od­dzia­ły­wa­nie musi na­stę­po­wać po­przez kon­takt, co okre­śla się jako za­sadę lo­kal­no­ści.

Przez kil­ka­set lat nie było ja­sne, czy da się po­go­dzić tę wi­zję z gra­wi­ta­cją, opi­saną przez New­tona jako siła po­mię­dzy od­le­głymi przed­mio­tami. Na­tych­mia­stowy prze­skok od­dzia­ły­wa­nia w po­przek wiel­kich po­łaci prze­strzeni to zja­wi­sko nie­mal ma­giczne, o co zresztą wprost oskar­żali New­tona jego fi­lo­zo­ficzni i na­ukowi ad­wer­sa­rze. Jesz­cze w XX wieku Ein­stein okre­ślił tego typu od­dzia­ły­wa­nie jako spo­oky ac­tion at a di­stance: „upiorne od­dzia­ły­wa­nie na od­le­głość”. W XVIII i XIX wieku co­raz le­piej po­zna­li­śmy po­nadto od­dzia­ły­wa­nia elek­tryczne i ma­gne­tyczne, które wy­da­wały się za­cho­wy­wać w spo­sób zbli­żony do gra­wi­ta­cji. Cóż, prawo Co­ulomba to tak na­prawdę do­sko­nała ko­pia prawa gra­wi­ta­cji New­tona: cząstki od­dzia­łują ze sobą z siłą pro­por­cjo­nalną do ich ła­dunku, a od­wrot­nie pro­por­cjo­nalną do kwa­dratu od­le­gło­ści mię­dzy nimi[1].

Jest w tym coś nie­po­ko­ją­cego: je­śli, przy­kła­dowo, ma­gne­tyzm roz­cho­dzi się bły­ska­wicz­nie we Wszech­świe­cie, to gdy prze­su­wam trzy­ma­nym w ręku ma­gne­sem, to co wła­ści­wie spra­wia, że znaj­du­jące się obok opiłki prze­miesz­czają się, a i wska­zówka znaj­du­ją­cego się na Księ­życu od­po­wied­nio czu­łego ma­gne­to­me­tru rów­nież bę­dzie drgać w takt ru­chów mo­jej ręki?

Z in­tu­icji co­dzien­nej wy­nika jed­no­znacz­nie, że wpływy roz­cho­dzą się lo­kal­nie, można by po­wie­dzieć, „przez do­tyk”, a wszel­kie zja­wi­ska rze­komo ła­miące tę za­sadę na­leżą do świata pa­ra­nau­ko­wego – ot, choćby te­le­ki­neza.

W ciągu ostat­nich 100 lat stop­niowo udało się „na­pra­wić” nie­lo­kal­ność od­dzia­ły­wań gra­wi­ta­cyj­nych i elek­tro­ma­gne­tycz­nych i dziś uznaje się już, że nie wy­stę­puje ża­den ta­jem­ni­czy prze­skok przez prze­strzeń, skut­ku­jący na­głym po­pchnię­ciem cząstki „zni­kąd”. Jedną z klu­czo­wych po­szlak było od­kry­cie, że świa­tło roz­cho­dzi się ze skoń­czoną pręd­ko­ścią, a na­stęp­nie, że w tym sa­mym tem­pie wę­druje od­dzia­ły­wa­nie ma­gne­tyczne. Spek­ta­ku­lar­nym po­twier­dze­niem faktu, że rów­nież zmiany pola gra­wi­ta­cyj­nego po­trze­bują czasu, by do­trzeć z punktu A do punktu B, było wy­kry­cie w 2016 roku fal gra­wi­ta­cyj­nych, które przez 1,2 mld lat wę­dro­wały przez prze­strzeń.

Krótko mó­wiąc, lo­kal­ność za­pew­niają osta­tecz­nie po­śred­nicy; w przy­padku elek­trycz­no­ści i ma­gne­ty­zmu jest nim pole elek­tro­ma­gne­tyczne, a w przy­padku gra­wi­ta­cji – sama prze­strzeń. Wiemy więc, że nie ma mowy o żad­nym na­tych­mia­sto­wym od­dzia­ły­wa­niu po­przez prze­strzeń – wszel­kie zmiany wy­wo­łane w jed­nym miej­scu mu­szą żmud­nie wę­dro­wać, nie szyb­ciej niż z pręd­ko­ścią świa­tła w próżni, w kie­runku „od­bior­ców” tej zmiany. Wspo­mniane wy­kry­cie fal gra­wi­ta­cyj­nych pięk­nie ilu­struje za­sadę lo­kal­no­ści: gdy zde­rzają się dwie czarne dziury, przez prze­strzeń wę­druje po­sła­niec z in­for­ma­cją o tym zda­rze­niu – fale gra­wi­ta­cyjne – i do­piero ten po­sła­niec jest w sta­nie roz­chy­bo­tać na­sze in­stru­menty po­mia­rowe. Pod tym okre­ślo­nym wzglę­dem na­wet fi­zyka ein­ste­inow­ska jest więc „kla­syczna” – po­nie­waż za­cho­wana jest w niej in­tu­icja lo­kal­no­ści: je­żeli chcę wie­dzieć, co wy­da­rzy się w tym miej­scu, wy­star­czy, że przyj­rzę się naj­bliż­szemu oto­cze­niu tego miej­sca. Co­kol­wiek ma miej­sce na dru­gim końcu po­koju albo w od­le­głej ga­lak­tyce, i tak bę­dzie mu­siało sko­rzy­stać z po­słańca, który po­jawi się w mo­ni­to­ro­wa­nym przez nas oto­cze­niu.

3. Trze­cia ce­cha świata lo­kal­nego wy­nika wprost z dru­giej – je­żeli już za­ob­ser­wo­wa­łem ja­kieś zda­rze­nie, to ufam, że coś je spo­wo­do­wało. Gdyby man­da­rynki na­gle, bez po­wodu, eks­plo­do­wały lu­dziom w rę­kach, zmie­niały ko­lor na fio­le­towy albo za­mie­niały się w jabłka, i nie by­łoby ab­so­lut­nie żad­nego zna­nego me­cha­ni­zmu od­po­wie­dzial­nego za te zda­rze­nia, ani żad­nego in­nego po­rządku w sta­ran­nie ze­bra­nych da­nych ob­ser­wa­cyj­nych na ten te­mat, praw­do­po­dob­nie z cza­sem uzna­li­by­śmy to za część „stylu”, jaki ma świat. Ba, gdyby zja­wi­ska ta­kie to­wa­rzy­szyły lu­dziom od za­ra­nia dzie­jów, dziś już nikt nie uzna­wałby ich za za­ska­ku­jące – z wy­jąt­kiem może sa­mego mo­mentu, gdy le­żąca przede mną na ta­le­rzyku man­da­rynka na­gle wy­bu­cha – a po­nadto ist­niałby pew­nie cały sze­reg zja­wisk spo­łecz­nych „opa­ko­wa­nych” wo­kół tego faktu przy­rod­ni­czego: być może na­tury re­li­gij­nej, na pewno ję­zy­ko­wej (z pew­no­ścią ist­nia­łyby przy­sło­wia na­wią­zu­jące do tego typu przy­pad­ko­wych zda­rzeń) oraz tech­no­lo­gicz­nej (praw­do­po­dob­nie trzeba by się stale od­dzie­lać róż­nego ro­dzaju prze­sło­nami od wszel­kich szkla­nych przed­mio­tów; być może w świe­cie ta­kim w ogóle nie po­wsta­łoby szkło?). Nie ży­jemy jed­nak w ta­kim świe­cie i po mi­liar­dach, bi­lio­nach i bi­liar­dach ko­lek­tyw­nych ob­ser­wa­cji je­ste­śmy głę­boko prze­ko­nani, że każde zda­rze­nie ma ja­kąś swoją okre­śloną przy­czynę, na­wet je­śli jej jesz­cze nie znamy lub na­wet ni­gdy nie bę­dzie nam to dane. Krótko mó­wiąc, wie­rzymy w de­ter­mi­nizm.

Miesz­kańcy hi­po­te­tycz­nego świata opi­sa­nego po­wy­żej by­liby pew­nie głę­boko prze­ko­nani o in­de­ter­mi­ni­zmie świata: uwa­ża­liby za­pewne (słusz­nie), że o ile więk­szość zda­rzeń ma swoją przy­czynę, inne jej nie mają. Ina­czej mó­wiąc, nie wszystko jest zde­ter­mi­no­wane.

Na­wia­sem mó­wiąc, skoro już i tak upra­wiamy fi­lo­zo­fię, warto do­dać w tym miej­scu drobne za­strze­że­nie. W rze­czy­wi­sto­ści ist­nieje parę źró­deł in­de­ter­mi­ni­zmu, które chęt­nie umiesz­czamy w świe­cie. Wspo­mnijmy o dwóch. Pierw­szym z nich jest ludzki umysł – pro­cesy my­ślowe i de­cy­zyjne nie jest ła­two po­go­dzić z in­tu­icjami świata kla­sycz­nego, a wielu z nas praw­do­po­dob­nie przy­zna, że jest ja­kaś róż­nica po­mię­dzy ko­niecz­no­ścią, z jaką od­bi­jają się od sie­bie kule bi­lar­dowe, a spo­so­bem, w jaki do­cho­dzę do wnio­sku, że dziś na obiad zjem pie­czo­nego pstrąga. Ba, jest coś nie­po­ko­ją­cego i od­py­cha­ją­cego w wi­zji peł­nego de­ter­mi­ni­zmu fi­zy­kal­nego, w myśl któ­rego wszyst­kie moje słowa, my­śli i de­cy­zje wy­ni­kają jed­no­znacz­nie z po­ło­że­nia ato­mów we Wszech­świe­cie w mo­men­cie mo­ich uro­dzeń; albo, swoją drogą, w mo­men­cie na­ro­dzin sa­mego Wszech­świata. Bar­dzo po­pu­larne, rów­nież po­śród fi­lo­zo­fów, jest więc prze­ko­na­nie o wy­jąt­ko­wym sta­tu­sie umy­słu. Nie­któ­rzy mó­wią wprost, że za jego au­to­no­mię od­po­wiada osob­nego ro­dzaju „sub­stan­cja”, na przy­kład du­sza albo res co­gi­tans Kar­te­zju­sza, inni za­cho­wują więk­szą ostroż­ność, mó­wiąc po pro­stu o „wol­nej woli”, bez do­pre­cy­zo­wa­nia, jak mia­łaby się ona kon­kret­nie re­ali­zo­wać. Tak czy ina­czej warto wspo­mnieć, że w ło­nie zdro­wo­roz­sąd­ko­wego „świata kla­sycz­nego” umysł sta­nowi pierw­sze ziarno nie­zgody na pe­łen de­ter­mi­nizm.

To jed­nak nie ko­niec. Wielu lu­dzi, in­da­go­wa­nych przez na­szego wę­drow­nego dzien­ni­ka­rza-fi­lo­zofa, doda, że w świe­cie fi­zycz­nym do­cho­dzi cza­sem do zja­wisk po­nadna­tu­ral­nych, któ­rych przy­czyna leży poza świa­tem fi­zycz­nym. Naj­bar­dziej kla­rowną de­mon­stra­cją ta­kiego zda­rze­nia jest je­den kon­kretny cud spo­wo­do­wany „ręcz­nie” przez Boga, choć ist­nieją też formy sub­tel­niej­szego ste­ro­wa­nia to­kiem hi­sto­rii świata przez Opatrz­ność, Mojry czy tao.

Te dwie kom­pli­ka­cje – i po­ten­cjal­nie inne, po­dobne – można by wy­gła­dzić dla po­trzeb ni­niej­szej książki na dwa spo­soby. Pierw­szym z nich by­łaby otwarta de­kla­ra­cja świa­to­po­glą­dowa: dla po­trzeb roz­wa­żań o fi­zyce kwan­to­wej przy­wdzie­wamy po pro­stu szaty men­tal­nych fi­zy­ka­li­stów (uwa­ża­jąc, że umysł można stu­pro­cen­towo zre­du­ko­wać do zja­wisk fi­zycz­nych) oraz na­tu­ra­li­stów on­to­lo­gicz­nych (uwa­ża­jąc, że nie ma żad­nych zja­wisk po­nadna­tu­ral­nych). Bio­rąc pod uwagę ogra­ni­czony cel tej książki, by­łoby to zresztą dość roz­sądne wyj­ście. Warto chyba jed­nak przy tej oka­zji zwró­cić uwagę na coś, co tym ostrzej po­ka­zuje „pro­blem z de­ter­mi­ni­zmem” me­cha­niki kwan­to­wej, który ujawni się w na­stęp­nych roz­dzia­łach. Otóż za­równo obec­ność wol­nej woli, jak i in­ge­ren­cji po­nadna­tu­ral­nych w świat, w pew­nym sen­sie mie­ści się w gra­ni­cach de­ter­mi­ni­zmu, je­śli po­ję­cie to zde­fi­niu­jemy od­po­wied­nio sze­roko! Źró­dłowo, de­ter­mi­nizm to prze­ko­na­nie, że każde zda­rze­nie ma ja­kąś przy­czynę – na­wet je­śli przy­czyną ową jest swo­bodne po­ru­sze­nie du­szy albo wola ja­kie­goś bó­stwa. In­de­ter­mi­nizm ozna­czałby zaś, że może zda­rzyć się coś bez żad­nej kon­kret­nej przy­czyny w ogóle! W pew­nym sen­sie jest to więc hi­po­teza bar­dziej wa­riacka od „hi­po­tezy Boga” i „hi­po­tezy du­szy”. Jak zaś ła­two się do­my­ślić, fi­zyka kwan­towa wpro­wa­dzi nas wła­śnie w tak orien­talne re­jony me­ta­fi­zyki!

W tym miej­scu na ra­zie prze­rwiemy. Ist­nieje tak na­prawdę wię­cej „ak­sjo­ma­tów kla­sycz­no­ści”, o któ­rych nie bę­dziemy szcze­gó­łowo mó­wić w tej książce, cho­ciaż i one po­tra­fią zo­stać na­ru­szone w świe­cie kwan­tów[2]. Je­den z nich to prze­ko­na­nie o cią­gło­ści świata, które można wy­ra­zić na­stę­pu­jąco: je­żeli ja­kiś obiekt jest naj­pierw w sta­nie A, a póź­niej w sta­nie B, to w mię­dzy­cza­sie prze­cho­dzi na spo­sób cią­gły przez stany po­śred­nie. To ko­lejna z tych cech do­świad­cze­nia po­tocz­nego, które, gdy się nad tym za­sta­no­wić, są w za­sa­dzie oczy­wi­ste, jed­nak zwy­kle nie wy­po­wia­damy ich na głos. Przy­kła­dowo, je­żeli spo­ty­kamy się ze zna­jo­mym po roku prze­rwy i jest on te­raz o 20 kg cięż­szy (rok temu wa­żył 70 kg, a te­raz – 90), to jest oczy­wi­ste samo przez się, że w mię­dzy­cza­sie osią­gał rów­nież wy­niki po­śred­nie. Mu­siał być taki mo­ment, że wa­żył 80 kg. Gdy mó­wimy o czą­stce, która te­raz znaj­duje się w jed­nym rogu po­koju, a wcze­śniej znaj­do­wała się w dru­gim, to musi dać się wska­zać ciąg punk­tów po­śred­nich, po któ­rych się prze­miesz­czała. Ba, jest to tak głę­boka in­tu­icja, że zna­la­zła swój od­po­wied­nik w dziale ma­te­ma­tyki zwa­nym ana­lizą rze­czy­wi­stą, którą sto­suje się w nie­mal wszyst­kich dzie­dzi­nach fi­zyki – mowa o tak zwa­nym twier­dze­niu Dar­boux, zwa­nym też „twier­dze­niem o przyj­mo­wa­niu war­to­ści po­śred­nich”. W pew­nym sen­sie więc in­tu­icja ta leży u pod­staw fi­zyki jako ta­kiej.

Tak przy­naj­mniej mówi nam do­świad­cze­nie co­dzienne. Jak ła­two się do­my­ślić, teo­ria kwan­towa ła­mie za­sadę cią­gło­ści w spo­sób bru­talny i nie­pod­le­ga­jący wąt­pli­wo­ści. Choć jed­nak swego czasu bu­dziło to w świe­cie fi­zy­ków po­tężną kon­tro­wer­sję, dziś „kwan­to­wość” teo­rii kwan­tów tro­chę zdą­żyła nam się opa­trzyć i zła­ma­nie za­sady cią­gło­ści nie jest aż tak emo­cjo­nu­jące, jak trzech za­sad, na któ­rych sku­pimy się w tej książce. Choć więc od czasu do czasu bę­dziemy o niej wspo­mi­nać, więk­szość ener­gii po­świę­cimy na roz­pra­wie­nie się z „Wielką Trójką” za­sad kla­sycz­nego świata. Wy­mieńmy je może dla pew­no­ści:

• za­sada re­ali­zmu wła­sno­ści: cząstki po­sia­dają w każ­dym mo­men­cie usta­lone pa­ra­me­try;

• za­sada lo­kal­no­ści: wszystko, co spo­tyka daną cząstkę, można wy­wnio­sko­wać na pod­sta­wie stanu jej bez­po­śred­niego oto­cze­nia (nie wy­stę­puje „dzia­ła­nie na od­le­głość”);

• za­sada de­ter­mi­ni­zmu: każde zda­rze­nie ma swoją okre­śloną przy­czynę, z któ­rej cał­ko­wi­cie wy­ni­kają wszyst­kie wła­ści­wo­ści owego zda­rze­nia.

Te trzy za­sady wy­zna­czą oś ni­niej­szej książki. W na­stęp­nych roz­dzia­łach opo­wie­dziane zo­staną naj­słyn­niej­sze eks­pe­ry­menty fi­zyczne, które rzu­cają cień wąt­pli­wo­ści na te „kla­syczne oczy­wi­sto­ści”. Cza­sem będą one pod­wa­żać jedną z tych za­sad, cza­sem wszyst­kie, a cza­sem każą nam wy­brać po­mię­dzy jedną z nich. Tak czy ina­czej nie ulega już wąt­pli­wo­ści, że za­sady te są re­gu­lar­nie ła­mane w toku na­tu­ral­nych zja­wisk przy­rod­ni­czych, które dziś ob­ser­wu­jemy już ru­ty­nowo. Wiel­kie py­ta­nie brzmi więc: jak ze świata kwan­to­wego, w któ­rym kla­sycz­ność świata zo­staje bru­tal­nie na­ru­szona, po­skle­jać „bez­pieczny” świat co­dzien­nego do­świad­cze­nia? Temu po­świę­cony bę­dzie roz­dział „Ukla­sycz­nie­nie”.

Na ra­zie za­po­znajmy się z pierw­szym, naj­waż­niej­szym dla ca­łej tej książki do­świad­cze­niem – kwan­to­wym eks­pe­ry­men­tem Ma­cha-Ze­hn­dera. Trudno o lep­szą ilu­stra­cję kru­cho­ści tego, co mówi nam o rze­czy­wi­sto­ści umysł lu­dzi wy­cho­wany w świe­cie co­dzien­nego do­świad­cze­nia ma­kro­sko­po­wego. Przy­go­tuj­cie się na roz­trza­ska­nie swo­ich wy­obra­żeń o świe­cie.