Dwie kultury dzisiaj, czyli co jest najciekawsze w fizyce kwantowej

Sama nazwa teorii - „mechanika kwantowa” - pochodzi od łacińskiego quantum, czyli porcja. Wedle tej teorii, w przeciwieństwie do przewidywań mechaniki klasycznej, w wielu przypadkach wielkości fizyczne, takie jak energia, zmieniać się mogą jedynie określonymi porcjami, a nie w sposób ciągły. To skwantowanie wielkości fizycznych jest bardzo ważne, ale niezbyt trudne do wyobrażenia sobie. Każde ciało ma na ziemi pewną energię potencjalną, której wartość zależy od odległości środka ciężkości tego ciała od wybranego poziomu referencyjnego. Jeśli tym referencyjnym poziomem jest blat stołu, to miarą energii potencjalnej jest wysokość ponad stołem, na której znajduje się rozważany przedmiot. Im wyżej tym większa energia potencjalna.

Oczywiście im z większej wysokości spadamy tym mocniej się rozbijemy. Pudełko zapałek może stać na stole jedynie w jednym z trzech położeń. Jego energia potencjalna jest zatem skwantowana. Ten przykład nie mówi nic o możliwych energiach elektronu w atomie wodoru – do tego potrzebna jest mechanika kwantowa – ale pozwala sobie wyobrazić samo zjawisko skwantowania tych energii. Pozwala je zrozumieć w tym znaczeniu, że wiąże je z prostym, znanym każdemu faktem. W tym punkcie, dla porządku, wypada wyjaśnić, dlaczego przed powstaniem fizyki kwantowej nie dostrzegano skwantowania energii, np. światła. Działo się tak dlatego, że kwanty światła są bardzo małe i zwykłe źródła światła produkują ich bardzo wiele. Nasuwa mi się w związku z tym porównanie do filmu, który składa się z nieruchomych zdjęć, ale kolejne zdjęcia wyświetlane co jedną dwudziestą piątą sekundy stwarzają wrażenie ciągłego ruchu.

Ale w mechanice kwantowej czają się dużo bardziej niepokojące fakty. Jak wiemy, atomy składają się z dodatnio naładowanych jąder atomowych oraz krążących wokół nich elektronów o ładunku ujemnym. Jądra składają się z protonów i neutronów. Niektóre jądra są niestabilne. Wylatują z nich inne cząstki, a samo jądro przekształca się w jądro innego pierwiastka. To właśnie owa złowroga radioaktywność. Może ona zabić, o czym przekonał się niedawno w Londynie pewien Rosjanin. Nie piszę dokładnie, jakie cząstki wylatują z niestabilnego jądra, bo musiałbym wyznać, że są wśród nich i takie, których w niestabilnym jądrze w ogóle nie było. A na opisie innego dziwnego faktu chcę się tu skupić.

Czy możemy sobie wyobrazić zjawisko niestabilności pewnych jąder atomowych prowadzące do ich wybuchu, odwołując się do zjawisk z życia codziennego? Chyba tak. Wyobraźmy sobie zbyt mocno napompowane gumowe, sylwestrowe baloniki. Wyobraźmy sobie, że jest ich bardzo dużo. Takie baloniki zapewne będą z hukiem pękały. Raz ten zielony, a za chwile czerwony. Potem jeszcze inny. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że jest kwestią zupełnego przypadku, kiedy pęknie właśnie ten niebieski. Ale bliższa analiza przekonuje, że to nie jest przypadek. To jedynie zjawisko, którego czas wystąpienia bardzo trudno przewidzieć. Zależy ono nie tylko od tego, jakie dokładnie ciśnienie wytworzono w danym baloniku (nawet gdyby się bardzo starać, to te ciśnienia będą nieco różne w różnych balonikach), ale także od maleńkich defektów cienkiej gumowej powierzchni każdego balonika. W praktyce nawet doskonała znajomość wszystkich szczegółów budowy balonika oraz znajomość mechaniki ośrodków ciągłych – działu fizyki, który zajmuje się m.in. zbyt mocno napompowanymi balonikami – a nawet posiadanie dostatecznie dobrego komputera może nie wystarczyć do dokładnego wyliczenia momentu pęknięcia danego balonika. Ale z poznawczego punktu widzenia wydaje się ważne, że w zasadzie to się da zrobić. Można sobie wyobrazić nieograniczone doskonalenie badania stanu początkowego balonika oraz doskonalenie metod obliczeniowych, które razem pozwalają coraz dokładniej przewidywać losy każdego balonika.

Jedną z najważniejszych dla mnie własności mikroświata jest to, że nie można przewidzieć, kiedy rozpadnie się dane nietrwałe jądro atomowe. Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że ten brak możliwości jest podobny do trudności z balonikami. Że brak nam dotąd pewnych szczegółowych informacji o stanie danego jądra. Gdybyśmy takie informacje posiadali, to wyznaczenie chwili rozpadu byłoby (może bardzo trudną) zaledwie kwestią techniczną. W te hipotetyczne dodatkowe dane, których dotąd nie wykryto, wierzył m.in. amerykański fizyk David Bohm (1917-1992). Nazywamy je parametrami ukrytymi. Otóż udało się udowodnić, że parametrów ukrytych nie ma. Jest to, moim zdaniem, jedno z najwspanialszych osiągnięć fizyki końca ubiegłego wieku. Najpierw irlandzki fizyk John Bell (1928-1990) wyprowadził swoje wspaniałe nierówności, które dawały się sprawdzić w laboratorium. Wedle tych nierówności, jeśli pewna wielkość fizyczna jest dodatnia, to istnieją w przyrodzie parametry ukryte (choć dalej nie wiemy jakie to parametry), a jeśli okaże się ujemna, to takich parametrów nie ma i nigdy nie będziemy w stanie przewidzieć momentu rozpadu danego jądra atomowego. Sam Bell spodziewał się, że doświadczenie raczej potwierdzi istnienie parametrów ukrytych. Tymczasem jest inaczej. Od czasu Bella przeprowadzono wiele doświadczalnych testów jego nierówności. Te z nich, które wykonano z dużą dokładnością, wszystkie wykazały, że parametrów ukrytych nie ma. Najsłynniejsze, bo pierwsze dokładne doświadczenie wykonała grupa francuskich fizyków z wówczas bardzo młodym, a kończącym w tym roku 60 lat Alainem Aspectem. Zatem natrafiliśmy na fundamentalne ograniczenie naszej zdolności przewidywania przyszłości obiektów tak prostych jak pojedyncze cząstki kwantowe.