Baron Charles Percy Snow (1905-1980) był brytyjskim fizykiem i powieściopisarzem. Jego powieści nigdy nie osiągnęły statusu bestsellerów, a jego prace z fizyki, choć był profesorem prestiżowego Cambridge University, także nie znalazły miejsca w akademickich podręcznikach. Snow jest najbardziej znany ze słynnego, wygłoszonego w Cambridge w 1959 roku wykładu oraz licznych artykułów i książki na temat „Dwóch kultur i rewolucji naukowej”.

Te dwie kultury to humanistyka i nauki ścisłe. Snow zauważał, że brak komunikacji między środowiskami uprawiającymi owe dwie kultury jest poważną przeszkodą w rozwiązywaniu problemów przed którymi stoi ludzkość. Sam poruszał się bez trudności w obu światach. Dostrzegał przy tym dotkliwą dla nauk ścisłych asymetrię.

Oto charakterystyczne cytaty z eseju Snowa:

„Uczestniczyłam wielokrotnie w spotkaniach ludzi, którzy wedle kryteriów tradycyjnej kultury odebrali staranne wykształcenie i którzy z niemałą lubością wyrażali swoje zdumienie ignorancją naukowców. W kilku przypadkach nie wytrzymałem i zadałem zebranym pytanie, jak wielu z nich potrafiłoby opisać drugie prawo termodynamiki. Powiało chłodem: nikt nie potrafił. A przecież pytałem o coś, co jest naukowym odpowiednikiem pytania: Czy czytałeś któreś z dzieł Szekspira?”.

I dalej:

„Obecnie sądzę, że nawet gdybym zadał prostsze pytanie – na przykład: co rozumiesz przez masę, albo przyspieszenie – które jest naukowym odpowiednikiem pytania «czy umiesz czytać?» – zaledwie jeden na dziesięciu z owych starannie wykształconych ludzi miałby poczucie, że mówimy tym samym językiem. A zatem wielki gmach współczesnej fizyki pnie się w górę, a większość najinteligentniejszych ludzi w świecie zachodnim ma o nim równie nikłe pojęcie, jak ich przodkowie z epoki neolitu”.

Mocne słowa i trudno się dziwić, że obok pochlebnych komentarzy na autora spadło też wiele ostrych uwag. Niektórzy krytycy uznali Snowa po prostu za lobbystę starającego się o zwiększenie nakładów na badania w dziedzinie nauk ścisłych.

Ale nawet oni przejęli się. W esejach na temat poezji, pisanych w latach 60. XX wieku, także w Polsce, zadziwiająco często pojawia się słowo „entropia”. Czasem nawet użyte sensownie.

Dziś, niemal po pięćdziesięciu latach, sarkastyczne słowa Snowa brzmią bardzo aktualnie. Przepaść pomiędzy poziomem wiedzy humanistycznej a poziomem wiedzy z nauk ścisłych jest równie głęboka jak przed laty. Co więcej, ignorancja naukowa większości obywateli świata zachodniego potęguje globalne zagrożenia. Oto jeden, zapewne najważniejszy, przykład: Wszyscy odczuwamy niebezpieczny wpływ uzależnienia od dostaw energii. Większość świata zachodniego cierpi z powodu uzależnienia od krajów arabskich, my z powodu uzależnienia od Rosji. Z drugiej strony coraz więcej oznak wskazuje na pogłębiające się niebezpieczne zmiany klimatyczne, do których niewątpliwie przyczynia się także wytwarzanie wielkiej ilości dwutlenku węgla w procesie spalania, zarówno węgla, jak i gazu oraz benzyny. Tymczasem najlepszym, naszym zdaniem, sposobem zmniejszenia owego uzależnienia od niestabilnych, a czasem wrogich krajów, a jednocześnie ograniczenia emisji dwutlenku węgla jest rozwój energetyki jądrowej. Decyzje w tej sprawie podejmowane są przez polityków wsłuchanych w głos opinii publicznej. Zawsze bowiem zbliżają się jakieś wybory. A opinię publiczną zdominowali ignoranci. Wyolbrzymiają oni ryzyko nowoczesnych elektrowni jądrowych oraz zupełnie pomijają wady źródeł konwencjonalnych. W samym smutnym dla polskiego górnictwa 2006 roku zginęło w naszym kraju więcej górników niż w czasie najtragiczniejszej katastrofy energetyki jądrowej – pożaru w elektrowni w Czarnobylu. A przecież ofiar spalania węgla jest w Polsce znacznie więcej. Nikt nie wie, ile osób umiera w Polsce przedwcześnie z powodu zapylenia towarzyszącego spalaniu węgla. Ponadto, mimo że boimy się skażenia radioaktywnego, jakie może towarzyszyć awariom elektrowni atomowych, niewiele osób wie, że hałdy węglowe są radioaktywne.

W żadnym razie nie agitowałbym w związku z tym za ignorowaniem opinii publicznej. Przywoływany czasem argument: „Przecież nie ustala się metody leczenia za pomocą plebiscytu. Zostawmy te sprawy ekspertom” jest marny. Leczenie dotyczy pojedynczej osoby i nawet wówczas sam chory musi wyrazić zgodę na metodę leczenia, np. na operację. Takie decyzje jak rozwój energetyki jądrowej dotyczą nas wszystkich i trudno odmówić obywatelom prawa do wpływania na własne losy. Oczywiście lepszym rozwiązaniem od ograniczania demokracji jest edukacja. Przez wiedzę do odporności na demagogię. Właśnie dlatego nasze środowisko uważa usunięcie matematyki z listy obowiązkowych przedmiotów maturalnych za jedną z najbardziej szkodliwych decyzji rządów SLD.

Wypada w tym miejscu podziękować naszemu Gospodarzowi za gościnność i konsekwentne wspieranie naszych spotkań stwarzających świetną okazję do budowania mostów pomiędzy dwiema kulturami, o których słabym kontakcie pisał Snow.

Korzystając z tej okazji spróbuję, mam nadzieję, że w zrozumiały sposób, opisać kilka zdumiewających własności świata, w którym żyjemy.

Fizyka rozwija się bez przerwy, ale wielkie rewolucje pojęciowe zdarzają się bardzo rzadko. Dwie, bodaj najważniejsze, wydarzyły się w początkach XX wieku. W 1905 roku Albert Einstein sformułował prawa ruchu obowiązujące przy wielkich prędkościach. Powstała szczególna teoria względności. Druga rewolucja, rozciągnięta w czasie i posiadająca wielu ojców, doprowadziła do odkrycia praw ruchu obowiązujących w mikroświecie – świecie atomów, elektronów, fotonów itp. Powstała mechanika kwantowa. Obie te teorie uzupełniły, każda w swoim zakresie, fundamentalne prawa dynamiki odkryte przez Isaaca Newtona (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica – 1687). Oczywiście prawa Newtona nadal obowiązują. Posługujemy się nimi z powodzeniem, np. projektując urządzenia mechaniczne czy wyznaczając trajektorie pocisków artyleryjskich lub ulepszając technikę skoku o tyczce.

Odnosząc się do zjawisk (wielkie prędkości, skale atomowe), z którymi nie stykamy się na co dzień, zarówno teoria względności, jak i mechanika kwantowa wydają się pełne niezrozumiałych i paradoksalnych stwierdzeń. A jednak żaden poważny fizyk nie kwestionuje dziś ich prawdziwości. Dzieje się tak dlatego, że wyniki wszystkich przeprowadzonych doświadczeń znakomicie zgadzają się z przewidywaniami tych teorii.

Tymczasem ich paradoksy niepokoją wielu ciekawych świata, ale słabo wykształconych amatorów. Każdy instytut fizyki jest adresatem znacznej liczby listów od odkrywców, wedle których owe trudno zrozumiałe teorie fizyczne są błędne. Niełatwo z nimi polemizować w taki sposób, aby ich nie urazić, a wykorzystać cenną ciekawość naukową dla wzbogacenia ich wiedzy.

Ciekawe, że tematem zdecydowanej większości krytycznych listów jest teoria względności, a nie mechanika kwantowa. W tej pierwszej niepokoi, że czas płynie inaczej w poruszających się układach odniesienia, że choćby nie wiem jak się starać, to nie można przekroczyć prędkości światła w próżni, że poruszające się przedmioty są krótsze i tak dalej. Wszystko to jest bardzo dziwne i w pewnym sensie „nie do wiary”. Tymczasem mechanika kwantowa jest, moim zdaniem, jeszcze dziwniejsza, co zaraz postaram się pokazać. Tymczasem wróćmy do problemów odkrywców amatorów: dlaczego obalają raczej teorię względności? Chyba dlatego, że łatwiej opanować jej aparat matematyczny. Łatwiej zrozumieć, że się jej nie rozumie. A z kwantami wielki kłopot. Ta teoria posługuje się tak odmiennym od klasycznej fzyki aparatem matematycznym i pojęciowym, że nie sposób zgłębić jej tajników bez dużego wysiłku intelektualnego oraz sporej wiedzy matematycznej. Bardzo lubię wykładać mechanikę kwantową studentom, którzy stykają się z nią po raz pierwszy. W pewnym sensie „zrozumieć się tego nie da”. Nie da się tego zrozumieć, jeśli ma to oznaczać odniesienie do doświadczeń dnia codziennego zwykłego mieszkańca naszej planety. Można jedynie się do tego przyzwyczaić, wyuczyć się metod obliczeniowych i być w stanie samodzielnie przewidywać wyniki kwantowych doświadczeń. Jeśli codziennie obcuje się z mechaniką kwantową, szczególnie wykonując doświadczenia z atomami i fotonami, to po jakimś czasie zaczyna się ją „rozumieć”, zaczyna ona mieć odniesienie do doświadczeń dnia codziennego. Uzyskuje się niezwykle satysfakcjonujące poczucie wtajemniczenia.

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.

Przy innej okazji wspominałem, że tę fundamentalną nieprzewidywalność można wykorzystać w rozwijającej się na naszych oczach informatyce kwantowej. Tu, na zakończenie, wspomnę o związanej z tą nieprzewidywalnością innej paradoksalnej własności świata, w którym żyjemy. Wyobraźmy sobie pudło, w którym są dwie kule, jedna czerwona, a druga zielona. Przypadkowo wybieram jedną kulę i nie sprawdzając, jaką wybrałem, udaję się w daleką podróż. Na innym kontynencie sprawdzam, jaką kulę wylosowałem. Okazuje się, że to kula czerwona. Tym samym dowiaduję się, że w pudle została zielona. Choć moja wiedza wzbogaciła się dopiero w chwili sprawdzenia, jaką kulę zabrałem, to nie ulega wątpliwości, iż to, że zabrałem czerwoną, zdecydowało się w chwili losowania, a nie w chwili sprawdzania. Podejrzewam, że powyższe zdanie większość słuchaczy uzna za tak oczywiste, że wręcz niepoważne. Tymczasem w pewnych sytuacjach z „kwantowymi kulami”, takimi jak atomy czy fotony, może być inaczej. Można tak przygotować stan początkowy kwantowych obiektów, że wyniki pomiarów, w momencie gdy cząstki kwantowe są już w dużej odległości od siebie, są zgodne z przyjęciem, że – choć przy sprawdzeniu zawsze się okazuje, że jeśli w jednym miejscu jest „kula zielona”, to w drugim jest czerwona – to, jaka kula okaże się w którym miejscu, decyduje się w chwili pomiaru, a nie w chwili rozdzielenia układu. Zatem zanim sprawdzimy, w obu odległych miejscach potencjalnie jest każda z dwu kul! Dziwny jest ten świat, a najtrudniejsze nawet pytania o jego własności w sposób niepozostawiający miejsca na wątpliwości i spekulacje rozstrzygać można tylko w jeden sposób: przeprowadzając odpowiednio precyzyjne doświadczenie.

Oba omówione tu paradoksy niepokoiły Alberta Einsteina. Uważał je za argumenty przeciw uznaniu mechaniki kwantowej za teorię fundamentalną. Einstein nie dożył wspomnianych tu doświadczeń Aspecta potwierdzających teorię. Ciekawe, jak by je skomentował.