Dwie kultury dzisiaj, czyli co jest najciekawsze w fizyce kwantowej

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.