Współczesna fizyka zachwiała starym obrazem świata ustanawiając nowe zasady. Dowiodła, że cząsteczki atomowego i subatomowego świata rządzą się prawami przeczącymi zasadom fizycznym, z którymi spotykamy się w naszym codziennym życiu.


Mikroskopy i lunety jedynie wprowadzają w błąd nasz zdrowy rozsądek.
- Johann Wolfgan von Goethe -

Przed stu laty fizycy wierzyli, że mają już świat w garści. A gdzie mogliby lepiej rozprawiać o podstawach nauki, niż przy grze w bilard? Przy takim samym położeniu początkowym i identycznym uderzeniu kija, kule lądują zawsze w tym samym miejscu - jak w fizycznym eksperymencie. Kule stosują się do zasady przyczynowości: identyczne przyczyny powodują identyczne rezultaty.

Kule toczą się ciągłymi torami i nie skaczą nieobliczalnie to tu, to tam: "Natura non facit saltus" - natura nie czyni skoków.

Gra jest całkowicie obiektywna: jej przebieg nie zależy od tego, czy ktoś jej się przygląda, może jedynie odrobinę od oklasków publiczności.

Te trzy zasady - przyczynowość, statyczność i obiektywność - stanowią podwaliny klasycznej fizyki XIX-go wieku. Odpowiadają one naszemu codziennemu doświadczeniu, są jasne i zrozumiałe - niosę też ze sobą daleko idące konsekwencje. Przecież prawa mechaniki i elektromagnetyzmu bazują właśnie na nich. Jeżeli są uniwersalne, to cały świat, włącznie z jego żywą częścią, włącznie ze stoma miliardami komórek nerwowych w ludzkim mózgu, musi działać jak wielki zegar.

Co prawda wszechświat składa się z większej ilości części niż nasze trzy kule, jednak jest to tylko ilościowa, a nie jakościowa różnica. Ponieważ atomy, kule bilardowe wszechświata, stosują się do zasad gry. Potrafimy pozbawić swego czaru nawet czyste, białe i boskie światło sprowadzając je do rangi transmisji fal elektromagnetycznych. W tym modelu nic nie wydarza się przypadkiem, koniec był znany już od samego początku, wszystko zostało zaplanowane w szczegółach, ludzka wolna wola to czysta iluzja - potrzebna w grze wyłącznie dlatego, że ludzki umysł w swej ograniczoności nie jest w stanie jednocześnie objąć wszystkich atomów wszechświata. Tylko to stanowi przeszkodę w ostatecznym poznaniu świata. Jednak jeśli wyobrazimy sobie jakiś nad-umysł - dzisiaj powiedzielibyśmy super-hiper-komputer - to on mógłby, przynajmniej teoretycznie, objąć i zrozumieć cały wszechświat.


Umysł, który w jedenj chwili byłby w stanie poznać wszystkie siły, które wprawiają naturę w ruch oraz położenie wszystkich ciał, z których się składa, gdyby był w stanie to wszystko ogarnąć i poddać dalszej analizie ruch największych planet i najmniejszych atomów: wtedy nic nie byłoby dla niego niepewne, przyszłość i przeszłość leżałaby przed nim jak na dłoni.
- Pierre Simon Marquis de Laplace -

Rzeczywiście uniwersalny umysł: nastawia zegarek na rok 2034 i już dzisiaj, tak jak astronomowie przepowiadają datę kolejnego zaćmienia słońca, tak on byłby w stanie powiedzieć kto w tym roku wygra mistrzostwa świata w piłce nożnej. Albo nastawia zegar wstecz na rok 1963 i ostatecznie kończy w ten sposób spekulacje co do tego, kto zastrzelił Johnna F. Kennediego. Byłby to naprawdę wszechwiedzący umysł - z drugiej strony jednak zupełnie bezsilny. Wpłynięcie na ruch trybików przyczyny i skutku nie jest przecież możliwe.

Ten właśnie umysł Marquisa Laplace zmarł 14-go grudnia 1900 roku - a wraz z nim poległy podwaliny klasycznej fizyki. Tego dnia przed Berlińskim Towarzystwem Fizycznym Max Planck wygłosił wykład o promieniowaniu cieplnym tak zwanego czarnego ciała. Nikt, włącznie z samym Planckiem, nie przypuszczał, że jego teoria doprowadzi to takiego rozwoju wypadków, że po naszych trzech fundamentach klasycznej fizyki - przyczynowości, statyczności i obiektywności - nie zostanie kamień na kamieniu.

Nikt nie był w stanie przewidzieć sukcesu, z jakim spotka się ta teoria. W rzeczywistości obalała prawie wszystkie modele opisujące siły działające w naturze, wyjaśniała chemię i tak różne zjawiska jak pochodzenie i budowa jądra atomu, nadprzewodnictwo, świecenie ryb głębinowych, Wielki Wybuch czy wypalanie się czarnych dziur. Pod terminem promieniowania cieplnego rozumiemy zjawisko, w którym podgrzana materia zaczyna świecić - najpierw na czerwono, a stopniowo podgrzewana nagle zaczyna świecić na biało. Promieniowanie to przeczy wszystkim klasycznym modelom. Według nich przyrost ilości wyemitowanych promieni cieplnych powinien być stały, zmiana koloru powinna nastąpić stopniowo. Planck wpadł na genialne rozwiązanie: wszystko staje się jasne, jeżeli tylko zrezygnujemy z idei ciągłości i założymy, że energia cieplna przyrasta "po kawałku", o pewne nieciągłe wartości, zostaje wyemitowana w formie tak zwanych kwantów energii.

Były to narodziny teorii kwantowej. Jeżeli przedstawimy ją na przykładzie stołu bilardowego, jawi się nam przed oczami osobliwy widok: jeżeli kule to obiekty kwantowe, to mogą one toczyć się po przestrzeni stołu tylko z określoną prędkością i jej wielokrotnościach. Powiedzmy, że wynosi ona 5 cm na sekundę. Kule mogą poruszać się więc tylko z taką, lub z prędkością 10, 15, 20... cm na sekundę. Cokolwiek gracz by nie zrobił, choćby włożył w uderzenie cały swój kunszt i wyrafinowanie, nie uda mu się nadać kuli prędkości 6, 13 lub 18 cm na sekundę.


Wszystkie moje próby dopasowania tego zrozumienia do teoretycznych fundamentów fizyki spełzły na niczym. Było to tak, jakby komuś zabrać grunt spod nóg nie zostawiając niczego w zamian, na czy mógłby się oprzeć.
- Albert Einstein -

Sam Albert Einstein był tym, kto w 1905 roku wyjaśniając zjawisko fotoelektryczne, zadał kolejny cios klasycznej fizyce. W doświadczeniu tym naświetlamy kawałek metalu światłem ultrafioletowym. W wyniku tej czynności z powierzchni metalu zostają uwolnione elektrony - jest to jawne zaprzeczenie uchodzącej za niemożliwą do obalenia teorii o falowej naturze światła. Niezrozumiałe było na przykład dlaczego energia uwolnionych elektronów nie zależy od intensywności fali - czyli od jego energii w klasycznym zrozumieniu - lecz od częstotliwości światła. Einstein nie przejmował się jednak powstałymi wątpliwościami - i rozwinął hipotezę kwantową Plancka. Wykazał, że zjawisko fotoelektryczne można całkiem prosto wyjaśnić, jeżeli przyjmiemy, że światło składa się z cząsteczek, tak zwanych kwantów światła - fotonów.

Było to całkiem paradoksalne założenie. Zjawiska takie jak dyfrakcja i interferencja światła, w których zachowuje się ono jak fale na powierzchni wody, wzajemnie się wzmacniając lub osłabiając, są nie do pogodzenia z wizją światła jako cząsteczki. Jak światło wypełniające ten pokój może równocześnie być falą i cząsteczką?


Kiedy Einstein przysłał mi telegram z informacją, że właśnie znalazł niezbite dowody na to, że światło jest cząsteczką, mogło się to wydarzyć wyłącznie dzięki temu, że światło jest falą.
- Niels Bohr -

Hipoteza Einsteina o naturze światła wywróciła świat fizyków do góry nogami. Wynikało z niej, że światło posiada dwojaką naturę. Od tej pory mówimy o dualizmie falowo-cząsteczkowym: czasami światło jawi się nam jako fala i wytwarza interferencje, innym razem jako cząsteczka uwalniająca elektrony w zjawisku fotoelektrycznym - nigdy jednak równocześnie jako zarówno to jak i to. Rzeczywistość, jaką przed nami otworzyło światło, jest zależna od rodzaju przeprowadzanego eksperymentu: nie można więc mówić już o obiektywności - o naturze światła niezależnej od obserwatora.

W 1942 roku francuski badacz Louis Victor de Broglie jeszcze bardziej powiększył bezradność fizyków swoją teorią, według której również materia w skali atomowej musi posiadać dwojaką naturę. Jego śmiała teza wkrótce została potwierdzona eksperymentalnie dzięki odkryciu mikroskopu elektronowego: również elektrony, a nawet całe atomy, posiadają zarówno falowe i cząsteczkowe właściwości.


Wiele razy dyskutowaliśmy z Bohrem do późna w nocy i zawsze nasze rozmowy doprowadzały nas na krawędź rozpaczy... za każdym razem od nowa zadaje sobie to pytanie: czy natura naprawdę jest aż tak absurdalna, jak wynikałoby to z naszych atomowych eksperymentów.
- Werner Heisenberg -

Fizycy, tacy jak Heisenberg czy Duńczyk Niels Bohr, wkrótce odkryli źródło absurdu. Najwyraźniej w świecie atomów panują inne prawa, niż w naszym codziennym świecie, na podstawie którego obserwacji zbudowaliśmy swój światopogląd i język. Dylemat fizyków polega teraz na tym, że słowa i terminy ze świata codziennego nie nadają się do opisu mikro-świata. Każdy eksperyment, każda próba zgłębienia mikro-świata odbywa się jednak nieuchronnie w makro-świecie, dlatego też musimy używać jego terminów i przez to wpadamy w tarapaty. Na przykład kiedy obserwujemy elektrony w komorze mgłowej . Widzimy co prawda trasę cząstek, nie jest możliwe podążyć dokładnie ich śladem - coś, co przy grze w bilard byłoby banalnym wyzwaniem. Pojęcia takie jak miejsce i prędkość stały się niejasne. To jest właśnie słynna "zasada nieokreśloności" Heisenberga, esencja nowej fizyki: miejsce i prędkość uzupełniają się nawzajem - jeżeli poznamy dokładną prędkość jakiejś cząsteczki, wtedy nie będziemy w stanie określić jej położenia i vice versa.


Błędne jest twierdzenie, że nieokreśloność wynika z zakłócenia wywołanego pomiarem.
- Carl Friedrich von Weizsacker -

Nieokreśloność wcale nie znaczy, że elektron przebywa przed pomiarem w jakimś konkretnym miejscu, a niejasność wynika z niedokładnego przeprowadzenia pomiaru. Nieokreśloność to zrozumienie faktu, że elektron nie przebywa w żadnym konkretnym miejscu, że chociaż jest cząsteczką, jest równocześnie wszędzie jak fala.

W przełożeniu na makro-świat wygląda to tak: kule majaczą nad stołem jako czarna i biała mgła, poprzez interferencję zderzając się ze sobą rozpuszczają się w nicość lub kondensują w gęstszą mgłę. Muszą jednak być cząsteczkami, bo gramy przecież kijem. Kiedy postanowimy już, w którym miejscu chcemy wykonać uderzenie, prędkość kuli staje się całkowicie nieznana - odlatuje we wszystkich kierunkach, ze wszystkimi prędkościami równocześnie, od zera po prędkość światła. Transmisja mistrzostw świata w elektronobilardzie byłaby absolutnie nudna: na ekranie brakuje przynajmniej połowa kul. Nie zostały zarejestrowane, ponieważ dzięki porównaniu moglibyśmy równocześnie ustalić miejsce i prędkość kuli. A tego natura nam nie pozwala zrobić.


Z drugiej strony jestem pewien, że tak naprawdę to nikt nie rozumie mechaniki kwantowej.
- Richard Feynman -

Identyczne uderzenie kijem, przy identycznym położeniu wyjściowym, rzadko kiedy prowadzi do podobnego wyniku. Przebieg gry nie przypomina pracy zegara, raczej grę w kości. Tak jak w przypadku rzucania kostką, tak i tu możemy podać jedynie pewne prawdopodobieństwo. Nasze przepowiednie możemy sprawdzić dopiero po wielokrotnym powtórzeniu eksperymentu.

Dopiero wyniki eksperymentu decydują o tym, jaka informacja z mikro-świata przedostanie się do makro-świata i stanie się rzeczywistością.

Nikt nie może już mówić o obiektywności czy przyczynowości praw natury. Umysł Laplacego umarł. Nikt nie jest w stanie przewidzieć przyszłości cząsteczki elementarnej.


To jak wszechświat będzie wyglądał za pięć sekund w tej chwili nie jest jeszcze ustalone, w każdym bądź razie nie w pełni. Osobiście bardziej podoba mi się ten otwarty pogląd na wszechświat. Jest w pewnym sensie bardziej romantyczny, od starego, zamkniętego sposobu postrzegania rzeczywistości. Nie jest taki nudny.
- Anton Zeilinger -

Natura okryła mikro-świat zasłoną, którą fizycy, ze wszystkimi swoimi metodami badawczymi, mogą podnieść tylko o tyle, na ile pozwala im rachunek prawdopodobieństwa. Na praktycznym poziomie to wystarcza, by lepiej radzić sobie z naturą. Zwykle mamy do czynienia z wieloma obiektami kwantowymi - gram uranu zawiera około 10²² atomów. Kiedy wchodzimy w kontakt z wieloma obiektami, tak przynajmniej uczy statystyka, z wielu indywidualnych prawdopodobieństw wyłania się wymierna pewność - a wystarczająca przynajmniej do budowy komputerów i elektrowni atomowych. Kiedy tylko jednak fizycy biorą pod lupę poszczególne obiekty kwantowe, tak jak na przykład Anton Zeilinger w Insbucku, zaczynają trenować swoją skromność - są dalecy od uwierzenia w to, że naprawdę zrozumieli naturę, nie mówiąc już o trzymaniu jej w garści.

_______________

¹ Dyfrakcja - ugięcie się fal na krawędzi przeszkody (albo otworu) powodujące przenikanie ruchu falowego w obręb cienia geometrycznego, oraz rozpraszanie (np. światła, promieni Roentgena) i omijanie przeszkód (np. przez fale radiowe). (przyp. tłum za Słownik wyrazów obcych, WP W-wa 1972, wyd. VIII).

² Interferencja (superpozycja), nakładanie się dwóch (albo więcej) fal, prowadzące do wzmocnienia, albo osłabienia, fali wypadkowej. (przyp. tłum za Słownik wyrazów obcych, WP W-wa 1972, wyd. VIII).

³ komora Wilsona.