|
Tańczący Mistrzowie Wu-Li Spojrzenie na nową fizykę Gary Zukav
Tłumaczenie: Tomasz Hornowski |
 |
Tym, co obserwujemy, nie jest przyroda sama w sobie, lecz przyroda, jaka nam się jawi, gdy zadajemy jej pytania we właściwy nam sposób.
- Werner Heisenberg -
Podmiot i przedmiot są tym samym. Nie można powiedzieć, że w wyniku osiągnięć najnowszej fizyki granica między nimi została zniesiona, granica ta bowiem nigdy nie istniała.
- Erwin Schroedinger -
Z rewolucyjnych koncepcji teorii względności i urągających logice kwantowomechanicznych paradoksów wyłania się starożytny paradygmat. Zaczynamy niewyraźnie dostrzegać zarysy koncepcji, że każdy z nas jest po części ojcem rzeczywistości fizycznej. Nasz stary wizerunek - bezsilnego obserwatora, który patrzy, ale na nic nie ma wpływu - powoli odchodzi w niepamięć.
Jesteśmy świadkami być może najbardziej fascynującego wydarzenia w naszej historii. W potężnym pomruku akceleratorów, stukocie komputerowych drukarek i tańcu wskaźników dawna nauka, której tyle zawdzięczamy - łącznie z poczuciem bezradności wobec anonimowej potęgi - sama podkopuje swoje fundamenty.
Nauka mówi, ciesząc się niekwestionowanym autorytetem, który nam zresztą zawdzięcza, że naszą wiarę ulokowaliśmy w złym miejscu. Wygląda na to, że chcąc zdezawuować naszą pozycję we wszechświecie porwaliśmy się na rzeczy niemożliwe. Próbowaliśmy pozbyć się odpowiedzialności, składając nasze obowiązki na barki uczonych. Im pozostawiliśmy odpowiedzialność za zgłębianie tajemnic stworzenia, rozwoju i śmierci, sobie zaś rutynę nijakiego życia.
Uczeni skwapliwie zabrali się do roboty. My ze swej strony chętnie zagraliśmy rolę bezsilnych obserwatorów wciąż komplikującej się "nauki współczesnej" i rozprzestrzeniających się zdobyczy nowoczesnej technologii.
Obecnie, po trzech stuleciach, odkrycia naukowe przynoszą odpowiedź. Uczeni zaś są równie zagubieni, jak my (w każdym razie ci, którzy zadają sobie trud zastanowienia się nad tym, co w istocie się wydarzyło).
- Nie jesteśmy pewni - mówią - ale zebrane dowody wskazują, że to wy jesteście kluczem do zrozumienia wszechświata.
Taki obraz świata jest nie tyle odmienny od tego, do jakiego przyzwyczailiśmy się w ciągu ostatnich trzystu lat, ile jest wręcz jego przeciwieństwem. Podział na "tutaj" i "tam", na którym to rozróżnieniu oparto naukę, stał się nieostry. Mamy tu do czynienia z iście zagadkowym stanem rzeczy. Posługując się rozróżnieniem tutaj-tam uczeni odkryli, że może ono wcale nie istnieć! To, co dzieje się tam zależy najwyraźniej, w ścisłym matematycznym i filozoficznym sensie, od tego, co postanowimy tutaj.
Fizyka współczesna mówi nam, że obserwator nie może obserwować bez wprowadzenia zmiany w tym, na co patrzy. Obserwator i obiekt obserwowany są ze sobą powiązani realnym i fundamentalnym związkiem. Dokładna natura tego związku nie jest znana, ale wciąż narastający materiał dowodowy wskazuje, że podział na tu i tam jest fikcją.
Ramy pojęciowe mechaniki kwantowej, poparte mnó-stwem danych doświadczalnych, zmuszają współczesnych fizyków do wyrażania się w sposób, który dla laika brzmi mistycznie.
Dostęp do świata fizycznego wiedzie przez doświadczenie. Wspólnym mianownikiem wszystkich doświadczeń jestem "Ja" - ten, który doświadcza. Mówiąc w skrócie, tym co doświadczamy nie jest zewnętrzna rzeczywistość, lecz nasze z nią wzajemne oddziaływanie. W tym stwierdzeniu zawiera się istota pojęcia "komplementarności".
Komplementarność jest pojęciem wprowadzonym przez Bohra w celu wyjaśnienia dualizmu korpuskularno-falowego natury światła. Jest to najlepsza z dotąd zaproponowanych koncepcji. Charakterystyka falowa i korpuskularna - głosi teoria - wykluczają się wzajemnie, a zarazem są komplementarnymi aspektami światła. Wprawdzie jeden zawsze wyklucza drugi, jednak oba są niezbędne do zrozumienia natury światła. Wykluczają się wzajemnie, gdyż ani światło, ani cokolwiek innego nie może być równocześnie i cząstką, i falą*.
Jakim sposobem korpuskularne i falowe zachowanie, które wzajemnie się wykluczają, mogą być równocześnie własnościami jednego i tego samego światła? Rzecz w tym, że nie są to właściwości światła, a własności naszego wzajemnego oddziaływania ze światłem. Wybierając odpowiedni eksperyment możemy spowodować, że światło wykazuje własności albo korpuskularne, albo falowe. Chcąc zademonstrować właściwości falowe, wybieramy doświadczenie z dwiema szczelinami, którego wynikiem są prążki interferencyjne. Jeśli naszym zamiarem jest pokazanie zachowania korpuskularnego, to możemy wykonać doświadczenie prezentujące zjawisko fotoelektryczne. Przeprowadzając natomiast słynne doświadczenie Comptona możemy spowodować, że światło przejawia zarówno własności falowe, jak i korpuskularne.
W roku 1923 Arthur Compton po raz pierwszy zagrał w bilard, wykorzystując do tego celu cząstki subatomowe. Przy okazji niejako potwierdził liczącą sobie wówczas siedemnaście lat einsteinowską fotonową teorię światła. Idea jego eksperymentu była prosta. Strzelił po prostu promieniami Roentgena, o których wszyscy wiedzieli, że są falami, w strumień elektronów. Ku zdumieniu większości ludzi, promienie Roentgena odbiły się od elektronów, jak gdyby były one (promienie Roentgena) cząstkami! Na przykład, promienie, które przy zderzeniu jedynie ześlizgiwały się po elektronie tylko w niewielkim stopniu zmieniały tor swojego ruchu. W takim zderzeniu nie traciły zbyt wiele ze swej energii. Jednak te promienie, które zderzały się centralnie z elektronami, ostro zmieniały swój bieg. Traciły także znaczną część swej energii kinetycznej (energii ruchu).
Mierząc częstotliwość promieni Roentgena przed i po zderzeniu Compton mógł stwierdzić, jaką część energii promienie straciły. W przypadku zderzenia centralnego częstotliwości promieni Roentgena były znacznie niższe, co oznaczało, że po zderzeniu miały mniejszą energię. Zatem comptonowskie promienie Roentgena w zderzeniu z elektronami zachowywały się dokładnie tak, jak kule bilardowe.
Swoje odkrycie Compton zawdzięcza teorii kwantów, gdyby bowiem Planck swym fundamentalnym odkryciem nie wykazał wcześniej, że wyższa częstotliwość oznacza większą energię, wtedy Compton nie mógłby ujawnić korpuskularnego zachowania promieni Roentgena. Reguła Plancka pozwoliła Comptonowi udowodnić, że promienie Roentgena w jego doświadczeniu traciły energię analogicznie do zderzeń cząstek (po zderzeniu miały bowiem niższą częstotliwość).
Paradoks pojęciowy zawarty w doświadczeniu Comptona pokazuje, jak głęboko dualizm korpuskularnofalowy jest zakorzeniony w mechanice kwantowej. Mierząc częstotliwość Compton udowodnił, że fale elektromagnetyczne, jak promienie Roentgena, mają własności korpuskularne! A przecież "cząstki" nie mają częstotliwości. Jest to wyłącznie cecha fal. Zjawisko odkryte przez Comptona nazwano rozpraszaniem comptonowskim na cześć procesu, któremu podlegały promienie Roentgena.
Rekapitulując: możemy wykazać, że światło jest cząstką w zjawisku fotoelektrycznym, falą w doświadczeniu z dwiema szczelinami oraz falą i cząstką w rozpraszaniu Comptona. Te dwa komplementarne aspekty światła (fala i cząstka) są niezbędne do zrozumienia jego natury. Nie warto pytać co tak naprawdę - którą z tych dwóch możliwości - reprezentuje światło. Zachowuje się ono jak fala lub jak strumień cząstek w zależności od przeprowadzanego doświadczenia.
To "my", którzy doświadczamy, jesteśmy ogniwem łączącym światło rozpatrywane jako strumień cząstek ze światłem rozpatrywanym jako fala. Zachowanie falowe, obserwowane w doświadczeniu z dwiema szczelinami, nie jest właściwością światła, ale naszego wzajemnego oddziaływania ze światłem. Podobnie, zachowanie korpuskularne w zjawisku fotoelektrycznym nie jest własnością światła. Jest również właściwością tego oddziaływania. Korpuskularne i falowe zachowanie jest zatem własnością oddziaływania.
Skoro zachowanie korpuskularne i falowe są jedynymi własnościami przypisywanymi światłu, a obecnie uznaliśmy (przyjmując zasadę komplementarności za prawdę), że są to własności nie samego światła, ale naszego oddziaływania z nim, to okazuje się, że światło nie ma w ogóle żadnych własności, które byłyby niezależne od nas! Powiedzenie, że coś nie ma żadnych własności, oznacza to samo co stwierdzenie, że to coś w ogóle nie istnieje. Zgodnie więc z logiką, kolejny krok wiedzie nas nieubłaganie do stwierdzenia: bez naszej obecności światło by nie istniało.
Przenosząc własności zazwyczaj przypisywane światłu na nasze oddziaływanie ze światłem, pozbawiamy je niezależnego istnienia. Bez nas, lub, przez implikację, bez czegokolwiek, z czym mogłoby oddziaływać, światło nie istnieje. Ten niesamowity wniosek to dopiero połowa historii. Podobnie można sformułować drugą połowę: bez światła, lub, przez implikację, bez czegokolwiek, z czym moglibyśmy oddziałowywać, my nie istniejemy. Jak to wyraził Bohr:
"[...] niezależna rzeczywistość, w zwykłym fizycznym sensie, nie może być przypisana ani samym zjawiskom, ani czynnikom obserwacji".
Używając terminu "czynniki obserwacji" Bohr mógł mieć na myśli urządzenia pomiarowe, a nie ludzi, lecz od strony filozoficznej komplementarność prowadzi do wniosku, że świat składa się nie z rzeczy, ale z oddziaływań. Własności dotyczą oddziaływań, a nie istniejących niezależnie rzeczy, takich jak "światło". W taki oto sposób Bohr rozwiązał korpuskularno-falowy dualizm światła. Filozoficzne implikacje zasady komplementarności stały się jeszcze ważniejsze z chwilą odkrycia, że wszystko nacechowane jest dualizmem korpuskularno-falowym.
Do chwili przerwania naszej opowieści o narodzinach mechaniki kwantowej biegła ona następująco: w roku 1900 Max Planck, badając promieniowanie ciała doskonale czarnego, stwierdził, że energia jest emitowana i absorbowana w porcjach, które nazwał kwantami. Do tego czasu uważano, że energia promienista, podobnie jak światło, ma naturę falową. Przekonanie to było wynikiem przeprowadzonego w roku 1803 doświadczenia, w którym Thomas Young wykazał, że światło ulega interferencji (doświadczenie z dwiema szczelinami), czyli zjawisku typowo falowemu.
Einstein, zachęcony teorią kwantów Plancka, wykorzystał zjawisko fotoelektryczne do wykazania, że nie tylko proces absorpcji i emisji energii jest skwantowany, ale sama energia występuje w postaci paczek o określonej wielkości. Fizycy stanęli więc wobec dwóch faktów (powtarzalnych doświadczeń), z których jeden zdawał się przeczyć drugiemu. To jest właśnie ów słynny dualizm korpuskularno-falowy leżący u podstaw mechaniki kwantowej.
Gdy fizycy wciąż głowili się nad wytłumaczeniem tego, że fale mogą być cząstkami, młody francuski książę, Luis de Broglie, podłożył pod klasyczną fizykę bombę, która do reszty miała zburzyć to, co jeszcze z niej pozostało. Nie tylko fale są cząstkami - stwierdził - ale i cząstki są falami!
Według pomysłu de Broglie'a (zawarł go w swej pracy doktorskiej) materia posiada "odpowiadającą" jej falę. Roz-ważania de Broglie'a były czymś więcej niż tylko filozoficzną spekulacją. Miały bowiem matematyczne uzasadnienie. Opierając się na prostych wyrażeniach Plancka i Einsteina, de Broglie wyprowadził własny wzór. Przypisuje on "falom materii" określoną długość. Stwierdza, że im większy jest pęd cząstki, tym krótsza długość stowarzyszonej z nią fali.
Fakt ten wyjaśnia, dlaczego fale materii nie są widoczne w świecie makroskopowym. Ze wzoru de Broglie'a wynika, że fale materii odpowiadające nawet najmniejszym widzialnym gołym okiem obiektom są tak niewiarygodnie małe w stosunku do wielkości obiektu, że ich efekt jest pomijany. Jeżeli jednak zejdziemy na poziom obiektów subatomowych, np. elektronów, to okazuje się, że wielkość elektronu jest mniejsza od długości stowarzyszonej z nim fali!
W takich okolicznościach falowe zachowanie materii powinno być wyraźnie widoczne, a zatem "materia" powinna zachowywać się inaczej niż zwykliśmy o niej myśleć. I rzeczywiście, dokładnie się to potwierdza.
Zaledwie dwa lata po wysunięciu hipotezy de Broglie'a, fizyk Clinton Davisson i pracujący z nim w Bell Telephone Laboratories asystent Lester Germer potwierdzili ją doświadczalnie. Zarówno de Broglie, jak i Germer otrzymali Nagrodę Nobla, a fizykom pozostało wytłumaczyć nie tylko, jak fale mogą być cząstkami, ale również jak cząstki mogą być falami.
Słynne doświadczenie Davissona-Germera, zrobione zresztą przypadkowo, przedstawiało elektrony odbite od powierzchni kryształu w sposób, który można wytłumaczyć jedynie przy założeniu, że elektrony są falami. Ale przecież elektrony są cząstkami.
Dziś dyfrakcja elektronów, ewidentna sprzeczność terminologiczna, nie budzi niczyjego zdziwienia. Kiedy wiązkę elektronów przepuszcza się przez małe otworki, np. przez przestrzenie międzyatomowe w metalowej folii, których wielkość jest porównywalna lub mniejsza od długości fal elektronowych (czyż nie brzmi to osobliwie; wszak "cząstkom" nie można przypisać długości fal), wiązka ulega ugięciu dokładnie tak samo, jak wiązka światła. Choć klasycznie rzecz biorąc, efekt taki jest niemożliwy.
Już dostatecznie wiele zamieszania spowodował fakt, że światło, które jest falą, zaczęło zachowywać się jak cząstki, ale kiedy jeszcze na dodatek elektrony, które są cząstkami, zaczęły się zachowywać jak fale, atmosfera nieznośnie się zagęściła.
Rozwój mechaniki kwantowej przypominał zatem (i nadal taki jest) przedstawienie z dreszczykiem. Werner Heisenberg pisał:
"Pamiętam wielogodzinne, przeciągające się do późnej nocy dyskusje z Bohrem [w 1927 roku], które doprowadzały nas niemal do rozpaczy. Ilekroć po zakończonej dyskusji samotnie spacerowałem w pobliskim parku, niezmiennie zadawałem sobie pytanie: czy przyroda może być rzeczywiście aż tak absurdalna, jak się to nam wydaje, gdy rozważamy wyniki doświadczalnych badań atomowych?"
Kolejne doświadczenia ujawniły, że nie tylko cząstki subatomowe, lecz również atomy i molekuły mają swoje fale materii. Wymownym świadectwem fuzji fal i cząstek, która swoje narodziny zawdzięcza doktorskim tezom księcia de Broglie'a, jest tytuł pionierskiej książki Donalda Hughesa Optyka neutronowa. Teoretycznie rzecz biorąc, wszystko ma swoją falę: piłki baseballowe, samochody, a nawet ludzie, choć długość tych fal jest tak mała, że są niezauważalne.
Sam de Broglie uczynił niewiele, by wyjaśnić swoją teorię. Przewidywała ona - co udowodniło doświadczenie Davissona-Germera - że materia, np. elektrony, ma aspekt falowy. Wzór de Broglie'a podawał nawet długość takich fal. Jednakże nie było wiadomo, czym w istocie są te fale (nadal zresztą nie wiadomo). De Broglie nazwał je falami, które "korespondują" z materią, nie wyjaśnił jednak, co przez tę "korespondencję" rozumie.
Fizyk potrafi coś przewidzieć, ułożyć właściwe równanie to coś opisujące, a wciąż może nie wiedzieć o czym mówi.
Otóż to. Jak to wyraził Bertrand Russell:
"Matematyka traktuje o rzeczach, o których nie wie, czym są i składa się z twierdzeń, o których nie wiadomo, czy są prawdziwe, czy fałszywe".
To właśnie zadecydowało, że fizycy w Kopenhadze zdecydowali się uznać mechanikę kwantową za teorię zupełną, chociaż nie dawała odpowiedzi na pytanie jaki "w istocie" jest świat i nie potrafiła nawet przewidzieć faktycznych zdarzeń, a jedynie ich prawdopodobieństwa. Uznali mechanikę kwantową za teorię zupełną, poprawnie bowiem korelowała między sobą różne obserwacje. Mechanika kwantowa, a zdaniem pragmatyków cała nauka w ogóle, jest badaniem takich korelacji. I taki charakter miał też wzór de Broglie'a.
De Broglie ujawnił paradoks fuzji cząstek i fal - paradoks, który ujrzał światło dzienne dzięki geniuszowi Thomasa Younga (doświadczenie z dwiema szczelinami) i Alberta Einsteina (teoria fotonu). Jednym słowem de Broglie połączył ze sobą dwa najbardziej rewolucyjne zjawiska w fizyce: kwantową naturę energii i dualizm korpuskularno-falowy.
De Broglie wystąpił ze swoją teorią w roku 1924. W ciągu trzech następnych lat wykrystalizowały się zasadnicze zręby mechaniki kwantowej, właściwie nie zmienione do dziś. Świat fizyki newtonowskiej, świat prostych modeli poglądowych i zdrowego rozsądku odszedł na dobre. Nowa fizyka przybrała formę tak niezwykłą i wstrząsającą, że może przyprawić o zawrót głowy (...)
________________________
* Pojedyncze zdarzenia mają zawsze charakter korpuskularny; zachowanie falowe, np. interferencja, jest odbierane jako statystyczny rozkład. Jednakże, mówiąc słowami Paula Diraca (kolejnego z twórców mechaniki kwantowej), nawet pojedyncza cząstka "interferuje sama ze sobą". W jaki sposób pojedyncza cząstka, np. elektron, może "interferować sama ze sobą" jest zasadniczym kwantowym paradoksem.
|
© for the Polish edition by Dom Wydawniczy REBIS, 1995. |
