Czy fizykę kwantową da się rozumieć? Czy trzeba ją rozumieć? I co to w ogóle znaczy „rozumieć teorię fizyczną”?

Zacznijmy od ostatniego pytania. Gdy rozumiem teorię, potrafię, widząc opis doświadczenia, przewidzieć jego wynik. Jeżeli spuszczę kamień z wieży, będzie spadał ruchem jednostajnie przyspieszonym. Żadnych niespodzianek. Prawie to czuję. Ale poczucie to, innymi słowy – intuicja, może wprowadzać w błąd. Przez stulecia ludzie byli przekonani, że naturalnym stanem obiektów jest spoczynek (względem Ziemi), zaś do ruchu potrzebna jest siła. Dziś wiemy, że ta wprowadzająca w ruch siła równoważy jedynie opory, siły tarcia, więc na ciało w ruchu działa wypadkowa siła zerowa. Przy braku sił ruch jednostajny jest równie naturalny, jak spoczynek. Poznając pogłębioną teorię zmieniłem działanie intuicji.

Ale czy istotne jest „rozumienie” teorii? Niels Bohr uważał, że nie: It is wrong to think that the task of physics is to find out how nature is. Physics concerns what we can say about nature (Błędem jest myśleć, że zadaniem fizyki jest odkrycie istoty natury. Fizyka zajmuje się tym, co możemy powiedzieć o naturze). Czyli, jeżeli nasze równania zgadzają się z wynikami eksperymentów, to sprawa jest załatwiona – nic więcej nas nie powinno interesować.

Mnie jednak interesuje.

Sprawa jednak nie jest prosta. Istnieje wiele interpretacji fizyki kwantowej i nawet te interpretacje są różnie interpretowane.

Jednym z podstawowych zagadnień jest tu problem przypadkowości. Można się zastanowić nad tym, co to jest przypadek. Mówimy o przypadkowym wyniku rzutu kostką, lecz wiemy, że przypadkowość ta jest pozorna – przy każdym rzucie ruch kostki jest wyznaczony przez pozycję i ruch dłoni, fakturę stołu, materiał kostki. Przypadek wynika jedynie z naszej nieznajomości warunków, kostka wyrzucona w określony sposób spadnie zawsze na tę samą stronę.

Einstein podejrzewał, że przypadkowość w eksperymentach kwantowych ma podobną naturę, że elektron ma spin taki-a-taki – tylko my nie wiemy, jaki. Sławne jest jego powiedzenie, że Bóg nie gra w kości. Wierzył, że problemem jest zakłócenie badanego zjawiska przez eksperyment i że przez doskonalenie aparatury jesteśmy w stanie pokonać przypadkowość i nieoznaczoność. Jednak jak to zrobić? Aby coś wiedzieć o ruchu elektronu, musi dojść do jego oddziaływania z czymkolwiek, choćby z fotonem, lecz nie jesteśmy w stanie zejść do skali o tyle niższej, by oddziaływanie to było zaniedbywalne.

Spotkałem się z następującą analogią do doświadczeń kwantowych: załóżmy, że prowadzimy badanie przedwyborcze i badane osoby mają powiedzieć, czy będą głosowały na demokratów (D), czy republikanów (R). Klasyczny model mówi, że otrzymamy pewien wynik statystyczny, a przy każdej osobie mamy do czynienia z odpowiadającym mu prawdopodobieństwem, lecz niepewność pojedynczych pomiarów wynika jedynie z naszej niewiedzy – osoby badane są w stanie D albo R. Załóżmy jednak, że badani są niezdecydowani – w momencie pomiaru określają swoją preferencję na jedną z dwóch możliwości (D lub R), lecz przed badaniem nie wiedzą sami, co powiedzą. Używając terminologii kwantowej, ich stan jest superpozycją stanu D i R w pewnych proporcjach, dopiero w momencie pomiaru dochodzi do kolapsu funkcji falowej i do jednoznacznego wyniku.

Każdy obiekt opisany jest tzw. funkcją falową o wartościach w zbiorze liczb zespolonych. Rzeczywista wartość absolutna tej funkcji w określonym punkcie wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia obiektu (np. cząstki elementarnej) w tym punkcie. Podobny opis dotyczy innych własności cząstek, np. ich spinu. Podstawowe kierunki interpretacji są następujące:

a) opis kwantowy jest kompletny, przypadkowość jest realną cechą natury,
b) opis kwantowy jest niekompletny, przypadkowość jest wynikiem naszej niewiedzy, uzupełnienie go o tzw. zmienne ukryte (hidden variables) pozwoliłoby na powrót do determinizmu.

Wariant (a) odpowiada interpretacji kopenhaskiej (Nielsa Bohra), wariant (b) – interpretacji Davida Bohma – Louisa de Broglie, rozwiniętej przez Johna Bella. Faktu, że nazwiska wszystkich wymienionych zaczynają się na „B”, nie będę interpretował.

Spór między tymi interpretacjami ma charakter prawie religijny, kojarzący się ze średniowiecznymi sporami o terminy homoousios i filioque w wyznaniu wiary. Wystarczy poszukać w Googlu quantum hidden variables, lub quantum Bell, by dojść do pełnych zacietrzewienia artykułów. W jednym z nich znalazłem słowo „obrazoburstwo” (ikonoklazm), dokładnie w Zum Bilderstreit in der Quantentheorie, w innym zaś sformułowania o religijnym dogmatyzmie głosicieli kopenhaskiej ewangelii. Ponieważ nawet nie posiadam fizycznego Nobla, pozwolę sobie nie opowiadać się jednoznacznie po żadnej ze stron.

Zacznę jednak od klasycznej kopenhaskiej „ewangelii”. Głosi ona, że stan cząstki jest opisywany jej funkcją falową, która ewoluuje w czasie według pewnych znanych reguł. Funkcja ta nie ma bezpośredniego odpowiednika w rzeczywistości – położenie cząstki jest rozmyte, a ewentualny jej spin jest superpozycją (nałożeniem) możliwych stanów. W momencie pomiaru zachodzi coś dziwnego – cząstka decyduje się na jakiś realnie opisywalny stan, tzn. pada na ekran w określonym punkcie, a spin przybiera jedną z możliwych wartości. Ładnie nazywa się to kolapsem funkcji falowej. Wyniki pomiarów zgadzają się z teorią, więcej nie ma nic do powiedzenia.

Jednak interpretatorzy nie dają za wygraną. Zasadnicze znaczenie ma pytanie: „co to jest pomiar”? Nie jest to byle oddziaływanie – wpływa bowiem istotnie na zachowanie się badanej cząstki. Od momentu pomiaru, spin, który zdecydował się wskazywać w górę, da taki sam wynik w kolejnym identycznym pomiarze. Nic się już w nim nie miesza. Wszystko do momentu, gdy spróbujemy zmierzyć składową spinu w prostopadłej osi – wtedy zmierzona uprzednio składowa zostanie zapomniana.
Próbowano różnych wyjaśnień – że chodzi o oddziaływanie z „układem makroskopowym”, lub wręcz ze „świadomym obserwatorem”. To znaczy, że fizyka zależy od tego, czy człowiek patrzy? A gdy odwróci wzrok? Skąd biedna cząstka ma wiedzieć, że foton, z którym oddziaływuje, jest częścią aparatury stojącej w CERNie, czy w Fermilab, i jej zachowanie zostanie opisane w Physical Review?
Przyznaję, że pomijając naukowy żargon, nie brzmi to lepiej od hipotezy, że płaska Ziemia spoczywa na wielkim żółwiu. Problem jest jedynie przesuwany poprzez wprowadzanie kolejnych niedokładnie zdefiniowanych pojęć. W tym kontekście nabiera nowego znaczenia zenowski koan: czy w lesie, w którym nikogo nie ma, padające drzewo powoduje hałas? A jak zachowywała się natura, gdy nikt jej nie mierzył?

Tyle na razie, będzie więcej.