Królestwo kwantowe

Tomasz Rożek

publikacja 06.04.2010 11:44

Nie da się z całą pewnością przewidzieć przyszłości wszechświata. Niczego nie da się z całą pewnością przewidzieć.

Królestwo kwantowe AUTOR / CC 2.0

Nie da się z całą pewnością przewidzieć przyszłości wszechświata. Niczego nie da się z całą pewnością przewidzieć. Dzisiaj nie ma w sensie fundamentalnym konfliktu pomiędzy nauką i religią. Taki konflikt był, gdy wydawało się, że świat jest doskonałym mechanizmem; że wszystko da się przewidzieć i wszystko poznać. No bo gdzie byłaby tajemnica, skoro przeszłość i przyszłość można wyliczyć na kartce papieru, dysponując tylko wzorami matematycznymi? W naszym materialnym świecie niczego nie da się powiedzieć z całą pewnością. Nauczyła nas tego fizyka kwantowa.

Świat makro (w którym żyjemy), świat drzew, samochodów, a nawet drapaczy chmur, zasadniczo różni się od świata mikro, świata elektronów, atomów i cząstek. Różnice są tak duże, że zjawiska, jakie w tych dwóch światach występują, trzeba opisywać w całkowicie inny sposób. Planety krążące wokół gwiazdy można opisać równaniami mechaniki Newtona (zwanej mechaniką klasyczną). Nie da się jednak w ten sposób opisać elektronów krążących wokół jądra atomowego. Na tym poziomie, na poziomie cząstek, mechanika klasyczna nie działa. Tutaj trzeba zastosować mechanikę kwantową. Dwie mechaniki, kwantowa i klasyczna, nie są sprzeczne. Wzajemnie się uzupełniają.

Nieoznaczoność
Mechanika kwantowa powstała w latach 20. XX wieku. Gdy naukowcy zaczęli otwierać drzwi do mikroświata, szybko zorientowali się, że występują tam zjawiska, które w świecie makro są niezauważalne. I to wszystko ukazało się fizykom w momencie, gdy byli pewni, że fizyka jest kompletna. Świat końca XIX wieku był przewidywalny jak szwajcarski zegarek. Skomplikowany – owszem, ale przewidywalny. I nagle okazuje się, że ta przewidywalność jest pozorem wynikającym z naszej ślepoty i ignorancji. Fizyka kwantowa ukazała świat, którym rządzi prawdopodobieństwo i nic w nim nie jest do końca przesądzone. I tak, obserwując elektron krążący wokół jądra atomowego, trzeba się zdecydować.

Albo chce się wiedzieć, gdzie w danej chwili się znajduje, albo chce się wiedzieć, jaką ma prędkość (pęd). Każda z tych dwóch wielkości obliczona może zostać z pewną dozą niepewności (prawdopodobieństwa). Nie sposób więc wyrysować pełnego obrazu tego, co dzieje się na poziomie atomów. Nigdy nie będziemy do końca wiedzieli, jak tam wygląda sytuacja. To, wbrew pozorom, nie jest nic nieznaczący szczegół. Skoro najmniejszymi cegiełkami materii rządzi los (wierzę, że nie ślepy), musi to mieć jakiś wpływ na losy całego wszechświata. Także losy człowieka.

Gdy rozmnażające się komórki kopiują informację genetyczną zapisaną w DNA, niewielka zmiana na poziomie pojedynczego atomu może w efekcie skutkować potężnymi zmianami na poziomie całego organizmu. Te zmiany mogą być negatywne albo pozytywne. Mogą też być negatywne dla jednostki, ale pozytywne – w dłuższej perspektywie czasowej – dla ogółu.

Bo te zmiany to mutacje. Przypadkowe (a może lepiej pasuje słowo „losowe”) zmiany w kodzie DNA powodują powstanie nowotworów, ale mogą też wzmacniać cechy, które czasami okazują się bardzo przydatne. Ewolucja życia na Ziemi jest w pewnym sensie konsekwencją niepewności, która jest cechą permanentną świata mikro. „Czy Pan Bóg gra w kości?” – pytał kiedyś Einstein. A może ta niepewność, nieprzewidywalność to jest właśnie miejsce dla Pana Boga. Jeżeli Jego królestwem jest fizyka kwantowa, może pozostawać równocześnie nieprzewidywalny i nie być w sprzeczności z prawami przyrody, które przecież sam stworzył.

Fala czy cząstka
To, co dzieje się na poziomie cząstek, jest dla nas w dużej mierze nieodgadnione. Ale nawet jeżeli rąbek tajemnicy uda się uchylić, trudno nam zrozumieć mechanizmy, jakie stoją za tamtym światem. Elektron może być równocześnie w dwóch miejscach. A wszystko dlatego, że jest i cząstką (maleńką kuleczką), i falą (taką jak ta na wodzie). Jak to rozumieć? Całkiem zwyczajnie. Ma cechy i jednego, i drugiego. Zresztą nie tylko elektron. Elektron, gdy skierowany jest na przeszkodę z dwoma szczelinami – tak jak fala – przejdzie przez dwie szczeliny równocześnie. Można by powiedzieć, że ta sama cząstka jest w dwóch miejscach. W makroświecie takie rzeczy się nie zdarzają, chociaż… w zasadzie mogą. Prawdopodobieństwo zajścia takiego efektu jest bardzo, bardzo małe, ale już kilka lat temu przeprowadzano doświadczenia na tzw. fulerenach, czyli cząsteczkach zbudowanych z 60 atomów węgla. One, przechodząc przez szczeliny, zachowywały się jak fala. Ciekawe, prawda?

Jeszcze ciekawszy jest efekt tunelowania. Trudno go zrozumieć, ale w skrócie polega na tym, że w mikroświecie cząstka może przeniknąć przez przeszkodę (zwaną przez fizyków barierą potencjału), mimo że nie ma wystarczającej energii, by to zrobić. Trudno znaleźć analogię do tego zjawiska w makroświecie. Można to niezgrabnie porównać do sytuacji zmęczonego wędrowca, który nie ma wystarczająco dużo siły (energii), by dojść do schroniska znajdującego się po drugiej stronie góry. Skoro nie ma siły (energii), do schroniska się nie dostanie – mówi teoria klasyczna. W mikroświecie to wcale nie jest takie pewne.

Istnieje bowiem możliwość, że wędrowiec po prostu przeniknie przez górę. Zjawisko nazywa się efektem tunelowania, bo można sobie wyobrazić, że z jednej strony góry na drugą, na chwilę, powstaje jakiś tunel, którym wędrowiec może przedostać się do schroniska. Wracając do mikroświata. Nigdy nie wiadomo, której cząstce to się uda. Można ewentualnie policzyć prawdopodobieństwo zajścia takiego zjawiska. Efekt tunelowy ma ogromny wpływ na kształt makroświata. Dzięki niemu świecą gwiazdy, a bez nich wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej (być może już by nie istniał, a na pewno nie istniałoby życie).

Coś z niczego


Bycie w dwóch miejscach naraz, przenikanie przez przeszkody. To tylko dwa przykłady zjawisk, które nie zdarzają się w makroświecie (choć teoretycznie mogłyby się zdarzyć), a w mikroświecie są powszechne. Jeszcze jednym jest zjawisko anihilacji, czyli – w skrócie – znikania. Gdy cząstka materii i antymaterii zetkną się ze sobą, obydwie zamieniają się w energię. Tej energii będzie tyle, ile „ważą” obydwie cząstki. To tutaj można zastosować bardzo popularny (choć nieczęsto rozumiany) wzór Einsteina E=mc2. E – to energia, m – to masa, a c2 – to prędkość światła do kwadratu. Materia jest tylko jedną z form energii. Gdy w wyniku anihilacji masa znika, nie oznacza to, że nie pozostaje po niej nic, tylko że pozostaje po niej energia. Działa to też w odwrotnym kierunku. W określonych warunkach z energii może powstać materia (to z klei zjawisko kreacji). Powstaje zawsze para cząstka–antycząstka. Z makroskopowego punktu widzenia będzie to pojawienie się „czegoś” z „niczego”. W świecie mikroskopowym jedna forma energii zamieni się w inną.

Zjawisko anihilacji dotyczy nie tylko małych obiektów. Dotyczy wszystkiego, tyle tylko, że w makroświecie nie istnieją duże obiekty zbudowane z antycząstek. W mikroświecie antycząstek jest sporo. Antymateria to… hm, jakby to napisać?... w pewnym sensie przeciwieństwo materii. Każda cząstka materii ma odpowiadającą jej cząstkę antymaterii. Czym różni się więc elektron od antyelektronu (zwanego pozytonem)? Przede wszystkim ładunkiem elektrycznym. Elektron jest naładowany ujemnie, pozyton – dodatnio. Masa tych dwóch cząstek jest identyczna, przeciwne są jednak takie cechy (zwane addytywnymi liczbami kwantowymi) jak liczba barionowa czy dziwność. Dziwne, prawda? Świat kwantów jest równocześnie uporządkowany i nieprzewidywalny. Tak jak nasz cały wszechświat. W świecie, w którym my żyjemy, te dwie cechy są sprzeczne. To wina naszego mózgu. W przyrodzie dzieją się rzeczy, o których filozofom nawet się nie śniło.