|
Ta?cz?cy Mistrzowie Wu-Li Spojrzenie na now? fizyk? Gary Zukav
T?umaczenie: Tomasz Hornowski |
 |
Tym, co obserwujemy, nie jest przyroda sama w sobie, lecz przyroda, jaka nam si? jawi, gdy zadajemy jej pytania we w?a?ciwy nam sposób.
- Werner Heisenberg -
Podmiot i przedmiot s? tym samym. Nie mo?na powiedzie?, ?e w wyniku osi?gni?? najnowszej fizyki granica mi?dzy nimi zosta?a zniesiona, granica ta bowiem nigdy nie istnia?a.
- Erwin Schroedinger -
Z rewolucyjnych koncepcji teorii wzgl?dno?ci i ur?gaj?cych logice kwantowomechanicznych paradoksów wy?ania si? staro?ytny paradygmat. Zaczynamy niewyra?nie dostrzega? zarysy koncepcji, ?e ka?dy z nas jest po cz??ci ojcem rzeczywisto?ci fizycznej. Nasz stary wizerunek - bezsilnego obserwatora, który patrzy, ale na nic nie ma wp?ywu - powoli odchodzi w niepami??.
Jeste?my ?wiadkami by? mo?e najbardziej fascynuj?cego wydarzenia w naszej historii. W pot??nym pomruku akceleratorów, stukocie komputerowych drukarek i ta?cu wska?ników dawna nauka, której tyle zawdzi?czamy - ??cznie z poczuciem bezradno?ci wobec anonimowej pot?gi - sama podkopuje swoje fundamenty.
Nauka mówi, ciesz?c si? niekwestionowanym autorytetem, który nam zreszt? zawdzi?cza, ?e nasz? wiar? ulokowali?my w z?ym miejscu. Wygl?da na to, ?e chc?c zdezawuowa? nasz? pozycj? we wszech?wiecie porwali?my si? na rzeczy niemo?liwe. Próbowali?my pozby? si? odpowiedzialno?ci, sk?adaj?c nasze obowi?zki na barki uczonych. Im pozostawili?my odpowiedzialno?? za zg??bianie tajemnic stworzenia, rozwoju i ?mierci, sobie za? rutyn? nijakiego ?ycia.
Uczeni skwapliwie zabrali si? do roboty. My ze swej strony ch?tnie zagrali?my rol? bezsilnych obserwatorów wci?? komplikuj?cej si? "nauki wspó?czesnej" i rozprzestrzeniaj?cych si? zdobyczy nowoczesnej technologii.
Obecnie, po trzech stuleciach, odkrycia naukowe przynosz? odpowied?. Uczeni za? s? równie zagubieni, jak my (w ka?dym razie ci, którzy zadaj? sobie trud zastanowienia si? nad tym, co w istocie si? wydarzy?o).
- Nie jeste?my pewni - mówi? - ale zebrane dowody wskazuj?, ?e to wy jeste?cie kluczem do zrozumienia wszech?wiata.
Taki obraz ?wiata jest nie tyle odmienny od tego, do jakiego przyzwyczaili?my si? w ci?gu ostatnich trzystu lat, ile jest wr?cz jego przeciwie?stwem. Podzia? na "tutaj" i "tam", na którym to rozró?nieniu oparto nauk?, sta? si? nieostry. Mamy tu do czynienia z i?cie zagadkowym stanem rzeczy. Pos?uguj?c si? rozró?nieniem tutaj-tam uczeni odkryli, ?e mo?e ono wcale nie istnie?! To, co dzieje si? tam zale?y najwyra?niej, w ?cis?ym matematycznym i filozoficznym sensie, od tego, co postanowimy tutaj.
Fizyka wspó?czesna mówi nam, ?e obserwator nie mo?e obserwowa? bez wprowadzenia zmiany w tym, na co patrzy. Obserwator i obiekt obserwowany s? ze sob? powi?zani realnym i fundamentalnym zwi?zkiem. Dok?adna natura tego zwi?zku nie jest znana, ale wci?? narastaj?cy materia? dowodowy wskazuje, ?e podzia? na tu i tam jest fikcj?.
Ramy poj?ciowe mechaniki kwantowej, poparte mnó-stwem danych do?wiadczalnych, zmuszaj? wspó?czesnych fizyków do wyra?ania si? w sposób, który dla laika brzmi mistycznie.
Dost?p do ?wiata fizycznego wiedzie przez do?wiadczenie. Wspólnym mianownikiem wszystkich do?wiadcze? jestem "Ja" - ten, który do?wiadcza. Mówi?c w skrócie, tym co do?wiadczamy nie jest zewn?trzna rzeczywisto??, lecz nasze z ni? wzajemne oddzia?ywanie. W tym stwierdzeniu zawiera si? istota poj?cia "komplementarno?ci".
Komplementarno?? jest poj?ciem wprowadzonym przez Bohra w celu wyja?nienia dualizmu korpuskularno-falowego natury ?wiat?a. Jest to najlepsza z dot?d zaproponowanych koncepcji. Charakterystyka falowa i korpuskularna - g?osi teoria - wykluczaj? si? wzajemnie, a zarazem s? komplementarnymi aspektami ?wiat?a. Wprawdzie jeden zawsze wyklucza drugi, jednak oba s? niezb?dne do zrozumienia natury ?wiat?a. Wykluczaj? si? wzajemnie, gdy? ani ?wiat?o, ani cokolwiek innego nie mo?e by? równocze?nie i cz?stk?, i fal?*.
Jakim sposobem korpuskularne i falowe zachowanie, które wzajemnie si? wykluczaj?, mog? by? równocze?nie w?asno?ciami jednego i tego samego ?wiat?a? Rzecz w tym, ?e nie s? to w?a?ciwo?ci ?wiat?a, a w?asno?ci naszego wzajemnego oddzia?ywania ze ?wiat?em. Wybieraj?c odpowiedni eksperyment mo?emy spowodowa?, ?e ?wiat?o wykazuje w?asno?ci albo korpuskularne, albo falowe. Chc?c zademonstrowa? w?a?ciwo?ci falowe, wybieramy do?wiadczenie z dwiema szczelinami, którego wynikiem s? pr??ki interferencyjne. Je?li naszym zamiarem jest pokazanie zachowania korpuskularnego, to mo?emy wykona? do?wiadczenie prezentuj?ce zjawisko fotoelektryczne. Przeprowadzaj?c natomiast s?ynne do?wiadczenie Comptona mo?emy spowodowa?, ?e ?wiat?o przejawia zarówno w?asno?ci falowe, jak i korpuskularne.
W roku 1923 Arthur Compton po raz pierwszy zagra? w bilard, wykorzystuj?c do tego celu cz?stki subatomowe. Przy okazji niejako potwierdzi? licz?c? sobie wówczas siedemna?cie lat einsteinowsk? fotonow? teori? ?wiat?a. Idea jego eksperymentu by?a prosta. Strzeli? po prostu promieniami Roentgena, o których wszyscy wiedzieli, ?e s? falami, w strumie? elektronów. Ku zdumieniu wi?kszo?ci ludzi, promienie Roentgena odbi?y si? od elektronów, jak gdyby by?y one (promienie Roentgena) cz?stkami! Na przyk?ad, promienie, które przy zderzeniu jedynie ze?lizgiwa?y si? po elektronie tylko w niewielkim stopniu zmienia?y tor swojego ruchu. W takim zderzeniu nie traci?y zbyt wiele ze swej energii. Jednak te promienie, które zderza?y si? centralnie z elektronami, ostro zmienia?y swój bieg. Traci?y tak?e znaczn? cz??? swej energii kinetycznej (energii ruchu).
Mierz?c cz?stotliwo?? promieni Roentgena przed i po zderzeniu Compton móg? stwierdzi?, jak? cz??? energii promienie straci?y. W przypadku zderzenia centralnego cz?stotliwo?ci promieni Roentgena by?y znacznie ni?sze, co oznacza?o, ?e po zderzeniu mia?y mniejsz? energi?. Zatem comptonowskie promienie Roentgena w zderzeniu z elektronami zachowywa?y si? dok?adnie tak, jak kule bilardowe.
Swoje odkrycie Compton zawdzi?cza teorii kwantów, gdyby bowiem Planck swym fundamentalnym odkryciem nie wykaza? wcze?niej, ?e wy?sza cz?stotliwo?? oznacza wi?ksz? energi?, wtedy Compton nie móg?by ujawni? korpuskularnego zachowania promieni Roentgena. Regu?a Plancka pozwoli?a Comptonowi udowodni?, ?e promienie Roentgena w jego do?wiadczeniu traci?y energi? analogicznie do zderze? cz?stek (po zderzeniu mia?y bowiem ni?sz? cz?stotliwo??).
Paradoks poj?ciowy zawarty w do?wiadczeniu Comptona pokazuje, jak g??boko dualizm korpuskularnofalowy jest zakorzeniony w mechanice kwantowej. Mierz?c cz?stotliwo?? Compton udowodni?, ?e fale elektromagnetyczne, jak promienie Roentgena, maj? w?asno?ci korpuskularne! A przecie? "cz?stki" nie maj? cz?stotliwo?ci. Jest to wy??cznie cecha fal. Zjawisko odkryte przez Comptona nazwano rozpraszaniem comptonowskim na cze?? procesu, któremu podlega?y promienie Roentgena.
Rekapituluj?c: mo?emy wykaza?, ?e ?wiat?o jest cz?stk? w zjawisku fotoelektrycznym, fal? w do?wiadczeniu z dwiema szczelinami oraz fal? i cz?stk? w rozpraszaniu Comptona. Te dwa komplementarne aspekty ?wiat?a (fala i cz?stka) s? niezb?dne do zrozumienia jego natury. Nie warto pyta? co tak naprawd? - któr? z tych dwóch mo?liwo?ci - reprezentuje ?wiat?o. Zachowuje si? ono jak fala lub jak strumie? cz?stek w zale?no?ci od przeprowadzanego do?wiadczenia.
To "my", którzy do?wiadczamy, jeste?my ogniwem ??cz?cym ?wiat?o rozpatrywane jako strumie? cz?stek ze ?wiat?em rozpatrywanym jako fala. Zachowanie falowe, obserwowane w do?wiadczeniu z dwiema szczelinami, nie jest w?a?ciwo?ci? ?wiat?a, ale naszego wzajemnego oddzia?ywania ze ?wiat?em. Podobnie, zachowanie korpuskularne w zjawisku fotoelektrycznym nie jest w?asno?ci? ?wiat?a. Jest równie? w?a?ciwo?ci? tego oddzia?ywania. Korpuskularne i falowe zachowanie jest zatem w?asno?ci? oddzia?ywania.
Skoro zachowanie korpuskularne i falowe s? jedynymi w?asno?ciami przypisywanymi ?wiat?u, a obecnie uznali?my (przyjmuj?c zasad? komplementarno?ci za prawd?), ?e s? to w?asno?ci nie samego ?wiat?a, ale naszego oddzia?ywania z nim, to okazuje si?, ?e ?wiat?o nie ma w ogóle ?adnych w?asno?ci, które by?yby niezale?ne od nas! Powiedzenie, ?e co? nie ma ?adnych w?asno?ci, oznacza to samo co stwierdzenie, ?e to co? w ogóle nie istnieje. Zgodnie wi?c z logik?, kolejny krok wiedzie nas nieub?aganie do stwierdzenia: bez naszej obecno?ci ?wiat?o by nie istnia?o.
Przenosz?c w?asno?ci zazwyczaj przypisywane ?wiat?u na nasze oddzia?ywanie ze ?wiat?em, pozbawiamy je niezale?nego istnienia. Bez nas, lub, przez implikacj?, bez czegokolwiek, z czym mog?oby oddzia?ywa?, ?wiat?o nie istnieje. Ten niesamowity wniosek to dopiero po?owa historii. Podobnie mo?na sformu?owa? drug? po?ow?: bez ?wiat?a, lub, przez implikacj?, bez czegokolwiek, z czym mogliby?my oddzia?owywa?, my nie istniejemy. Jak to wyrazi? Bohr:
"[...] niezale?na rzeczywisto??, w zwyk?ym fizycznym sensie, nie mo?e by? przypisana ani samym zjawiskom, ani czynnikom obserwacji".
U?ywaj?c terminu "czynniki obserwacji" Bohr móg? mie? na my?li urz?dzenia pomiarowe, a nie ludzi, lecz od strony filozoficznej komplementarno?? prowadzi do wniosku, ?e ?wiat sk?ada si? nie z rzeczy, ale z oddzia?ywa?. W?asno?ci dotycz? oddzia?ywa?, a nie istniej?cych niezale?nie rzeczy, takich jak "?wiat?o". W taki oto sposób Bohr rozwi?za? korpuskularno-falowy dualizm ?wiat?a. Filozoficzne implikacje zasady komplementarno?ci sta?y si? jeszcze wa?niejsze z chwil? odkrycia, ?e wszystko nacechowane jest dualizmem korpuskularno-falowym.
Do chwili przerwania naszej opowie?ci o narodzinach mechaniki kwantowej bieg?a ona nast?puj?co: w roku 1900 Max Planck, badaj?c promieniowanie cia?a doskonale czarnego, stwierdzi?, ?e energia jest emitowana i absorbowana w porcjach, które nazwa? kwantami. Do tego czasu uwa?ano, ?e energia promienista, podobnie jak ?wiat?o, ma natur? falow?. Przekonanie to by?o wynikiem przeprowadzonego w roku 1803 do?wiadczenia, w którym Thomas Young wykaza?, ?e ?wiat?o ulega interferencji (do?wiadczenie z dwiema szczelinami), czyli zjawisku typowo falowemu.
Einstein, zach?cony teori? kwantów Plancka, wykorzysta? zjawisko fotoelektryczne do wykazania, ?e nie tylko proces absorpcji i emisji energii jest skwantowany, ale sama energia wyst?puje w postaci paczek o okre?lonej wielko?ci. Fizycy stan?li wi?c wobec dwóch faktów (powtarzalnych do?wiadcze?), z których jeden zdawa? si? przeczy? drugiemu. To jest w?a?nie ów s?ynny dualizm korpuskularno-falowy le??cy u podstaw mechaniki kwantowej.
Gdy fizycy wci?? g?owili si? nad wyt?umaczeniem tego, ?e fale mog? by? cz?stkami, m?ody francuski ksi???, Luis de Broglie, pod?o?y? pod klasyczn? fizyk? bomb?, która do reszty mia?a zburzy? to, co jeszcze z niej pozosta?o. Nie tylko fale s? cz?stkami - stwierdzi? - ale i cz?stki s? falami!
Wed?ug pomys?u de Broglie'a (zawar? go w swej pracy doktorskiej) materia posiada "odpowiadaj?c?" jej fal?. Roz-wa?ania de Broglie'a by?y czym? wi?cej ni? tylko filozoficzn? spekulacj?. Mia?y bowiem matematyczne uzasadnienie. Opieraj?c si? na prostych wyra?eniach Plancka i Einsteina, de Broglie wyprowadzi? w?asny wzór. Przypisuje on "falom materii" okre?lon? d?ugo??. Stwierdza, ?e im wi?kszy jest p?d cz?stki, tym krótsza d?ugo?? stowarzyszonej z ni? fali.
Fakt ten wyja?nia, dlaczego fale materii nie s? widoczne w ?wiecie makroskopowym. Ze wzoru de Broglie'a wynika, ?e fale materii odpowiadaj?ce nawet najmniejszym widzialnym go?ym okiem obiektom s? tak niewiarygodnie ma?e w stosunku do wielko?ci obiektu, ?e ich efekt jest pomijany. Je?eli jednak zejdziemy na poziom obiektów subatomowych, np. elektronów, to okazuje si?, ?e wielko?? elektronu jest mniejsza od d?ugo?ci stowarzyszonej z nim fali!
W takich okoliczno?ciach falowe zachowanie materii powinno by? wyra?nie widoczne, a zatem "materia" powinna zachowywa? si? inaczej ni? zwykli?my o niej my?le?. I rzeczywi?cie, dok?adnie si? to potwierdza.
Zaledwie dwa lata po wysuni?ciu hipotezy de Broglie'a, fizyk Clinton Davisson i pracuj?cy z nim w Bell Telephone Laboratories asystent Lester Germer potwierdzili j? do?wiadczalnie. Zarówno de Broglie, jak i Germer otrzymali Nagrod? Nobla, a fizykom pozosta?o wyt?umaczy? nie tylko, jak fale mog? by? cz?stkami, ale równie? jak cz?stki mog? by? falami.
S?ynne do?wiadczenie Davissona-Germera, zrobione zreszt? przypadkowo, przedstawia?o elektrony odbite od powierzchni kryszta?u w sposób, który mo?na wyt?umaczy? jedynie przy za?o?eniu, ?e elektrony s? falami. Ale przecie? elektrony s? cz?stkami.
Dzi? dyfrakcja elektronów, ewidentna sprzeczno?? terminologiczna, nie budzi niczyjego zdziwienia. Kiedy wi?zk? elektronów przepuszcza si? przez ma?e otworki, np. przez przestrzenie mi?dzyatomowe w metalowej folii, których wielko?? jest porównywalna lub mniejsza od d?ugo?ci fal elektronowych (czy? nie brzmi to osobliwie; wszak "cz?stkom" nie mo?na przypisa? d?ugo?ci fal), wi?zka ulega ugi?ciu dok?adnie tak samo, jak wi?zka ?wiat?a. Cho? klasycznie rzecz bior?c, efekt taki jest niemo?liwy.
Ju? dostatecznie wiele zamieszania spowodowa? fakt, ?e ?wiat?o, które jest fal?, zacz??o zachowywa? si? jak cz?stki, ale kiedy jeszcze na dodatek elektrony, które s? cz?stkami, zacz??y si? zachowywa? jak fale, atmosfera niezno?nie si? zag??ci?a.
Rozwój mechaniki kwantowej przypomina? zatem (i nadal taki jest) przedstawienie z dreszczykiem. Werner Heisenberg pisa?:
"Pami?tam wielogodzinne, przeci?gaj?ce si? do pó?nej nocy dyskusje z Bohrem [w 1927 roku], które doprowadza?y nas niemal do rozpaczy. Ilekro? po zako?czonej dyskusji samotnie spacerowa?em w pobliskim parku, niezmiennie zadawa?em sobie pytanie: czy przyroda mo?e by? rzeczywi?cie a? tak absurdalna, jak si? to nam wydaje, gdy rozwa?amy wyniki do?wiadczalnych bada? atomowych?"
Kolejne do?wiadczenia ujawni?y, ?e nie tylko cz?stki subatomowe, lecz równie? atomy i moleku?y maj? swoje fale materii. Wymownym ?wiadectwem fuzji fal i cz?stek, która swoje narodziny zawdzi?cza doktorskim tezom ksi?cia de Broglie'a, jest tytu? pionierskiej ksi??ki Donalda Hughesa Optyka neutronowa. Teoretycznie rzecz bior?c, wszystko ma swoj? fal?: pi?ki baseballowe, samochody, a nawet ludzie, cho? d?ugo?? tych fal jest tak ma?a, ?e s? niezauwa?alne.
Sam de Broglie uczyni? niewiele, by wyja?ni? swoj? teori?. Przewidywa?a ona - co udowodni?o do?wiadczenie Davissona-Germera - ?e materia, np. elektrony, ma aspekt falowy. Wzór de Broglie'a podawa? nawet d?ugo?? takich fal. Jednak?e nie by?o wiadomo, czym w istocie s? te fale (nadal zreszt? nie wiadomo). De Broglie nazwa? je falami, które "koresponduj?" z materi?, nie wyja?ni? jednak, co przez t? "korespondencj?" rozumie.
Fizyk potrafi co? przewidzie?, u?o?y? w?a?ciwe równanie to co? opisuj?ce, a wci?? mo?e nie wiedzie? o czym mówi.
Otó? to. Jak to wyrazi? Bertrand Russell:
"Matematyka traktuje o rzeczach, o których nie wie, czym s? i sk?ada si? z twierdze?, o których nie wiadomo, czy s? prawdziwe, czy fa?szywe".
To w?a?nie zadecydowa?o, ?e fizycy w Kopenhadze zdecydowali si? uzna? mechanik? kwantow? za teori? zupe?n?, chocia? nie dawa?a odpowiedzi na pytanie jaki "w istocie" jest ?wiat i nie potrafi?a nawet przewidzie? faktycznych zdarze?, a jedynie ich prawdopodobie?stwa. Uznali mechanik? kwantow? za teori? zupe?n?, poprawnie bowiem korelowa?a mi?dzy sob? ró?ne obserwacje. Mechanika kwantowa, a zdaniem pragmatyków ca?a nauka w ogóle, jest badaniem takich korelacji. I taki charakter mia? te? wzór de Broglie'a.
De Broglie ujawni? paradoks fuzji cz?stek i fal - paradoks, który ujrza? ?wiat?o dzienne dzi?ki geniuszowi Thomasa Younga (do?wiadczenie z dwiema szczelinami) i Alberta Einsteina (teoria fotonu). Jednym s?owem de Broglie po??czy? ze sob? dwa najbardziej rewolucyjne zjawiska w fizyce: kwantow? natur? energii i dualizm korpuskularno-falowy.
De Broglie wyst?pi? ze swoj? teori? w roku 1924. W ci?gu trzech nast?pnych lat wykrystalizowa?y si? zasadnicze zr?by mechaniki kwantowej, w?a?ciwie nie zmienione do dzi?. ?wiat fizyki newtonowskiej, ?wiat prostych modeli pogl?dowych i zdrowego rozs?dku odszed? na dobre. Nowa fizyka przybra?a form? tak niezwyk?? i wstrz?saj?c?, ?e mo?e przyprawi? o zawrót g?owy (...)
________________________
* Pojedyncze zdarzenia maj? zawsze charakter korpuskularny; zachowanie falowe, np. interferencja, jest odbierane jako statystyczny rozk?ad. Jednak?e, mówi?c s?owami Paula Diraca (kolejnego z twórców mechaniki kwantowej), nawet pojedyncza cz?stka "interferuje sama ze sob?". W jaki sposób pojedyncza cz?stka, np. elektron, mo?e "interferowa? sama ze sob?" jest zasadniczym kwantowym paradoksem.
|
© for the Polish edition by Dom Wydawniczy REBIS, 1995. |
