Co się dzieje w świecie kwantów? O interpretacjach mechaniki kwantowej
Co się dzieje w świecie kwantów? – pytają autorzy książki multimedialnej (zawierającej treści cyfrowe, które można odczytać przy pomocy smartfona lub tabletu). Dlaczego kogokolwiek może interesować, co dzieje się w świecie, którego nie widać? I dlaczego mówimy tak, jakby to był jakiś inny świat? Czy to jakiś ukryty świat?
Według autorów „świat” to zbiór rzeczy, które istnieją, a zatem może świat kwantów istnieje inaczej? Albo gdzie indziej? A może po prostu nie istnieje? Okazuje się, że nie jest tak łatwo odpowiedzieć na te pytania. Nie łatwo, bo wciąż jesteśmy dość mocno zakorzenieni mentalnie i intelektualnie w „świecie klasycznym”, wywodzącym się z XV-, XVI-, XVII-, XVIII- i wreszcie XIX-wiecznej nauki. Dopiero XX wiek przyniósł pewne zmiany w myśleniu. Okazało się, że Kosmos jest wielki i paradoksalny, i dzieją się w nim rzeczy dziwne.
Autorzy książki w interesujący sposób przedstawiają historię postrzegania „świata klasycznego”, a także klasyczne eksperymenty czy metody pomiarowe, mające na celu poznanie natury świata. Następnie zanurzają się w kwantową rzeczywistość. Okazało się, że to, czego fizycy nauczyli się z teorii elektromagnetyzmu w XIX wieku, stało się fundamentem teorii kwantowej w XX wieku. Ale to tylko czubek góry lodowej. Wszystkie wspomniane przez autorów eksperymenty, które wcześniej zostały przeprowadzone, można było pogodzić z klasyczną wizją świata, ale np. klasyczną teorię elektromagnetyzmu Maxwella będzie trzeba „rozmontować”. Okazało się, że to, czego potrzebujemy, to teorii poprawnie opisującej Wszechświat w najmniejszej skali, czyli mechaniki kwantowej. Opis kwantowy polegał na wprowadzeniu pojęć fazy i intensywności do opisu pojedynczych kwantów. Kluczowym momentem w zrozumieniu mechaniki kwantowej stała się natomiast reguła Borna (wprowadzona przez Maksa Borna). Jej „rewolucyjna” myśl polegała na reinterpretacji wielkości pochodzących ze świata ciągłych pól, takich jak intensywność, na nowy, kwantowo-statystyczny sposób.
Oczywiście opis opisem, ale jak to się wszystko dzieje na poziomie czysto matematycznym? Odpowiadający za to obiekt nazywamy funkcją falową. Funkcja falowa kwantu za sprawą intensywności ujawnia jego własności statystyczne, faza konieczna jest natomiast do opisu możliwych efektów interferencyjnych.
Innym obiektem matematycznym, o jakim należy wspomnieć, jest równanie Schrödingera, które opisuje ewolucję funkcji falowej, czyli sposób, w jaki będzie się ona zmieniać w czasie.
Autorzy podkreślają jednak, że teoria kwantowa wcale nie podważa elektromagnetyzmu, lecz raczej to właśnie z teorii kwantowej wynika teoria elektromagnetyzmu. A zatem klasyczny elektromagnetyzm nie został odrzucony, a raczej włączony w teorię kwantową.
W książce Łobejki i Lamży wędrujemy przez eksperymenty, przyglądając się kolejnym niezwykłym obserwacjom w świecie kwantów. Obserwacje te często stawiają nas przed protestem rozumu. Wydaje się, że nie można jej pogodzić z tzw. zdrowym rozsądkiem, a jednak… mechanika kwantowa nie jest nonsensowna, pozaracjonalna albo wewnętrznie sprzeczna. Im lepsze mamy zrozumienie świata, tym bardziej jasnym staje się, że nie można o nim mówić i myśleć przy użyciu klasycznych przekonań o naturze rzeczywistości fizycznej. Potrzebna jest nowa wizja świata. Takiej wizji szukali już Niels Bohr i Erwin Schrödinger. Ten pierwszy, jak przypominają autorzy książki, opisał postulat, który określił jako zasadę komplementarności. Naukowiec stwierdził bowiem, że natura kwantowa zmusza nas do tego, aby uznać uporządkowanie czasoprzestrzenne oraz zasadę przyczynowości – których połączenie charakteryzuje teorie klasyczne – za komplementarne, ale wykluczające się nawzajem elementy opisu. Nie tylko Schrödinger czuł się niekomfortowo w obliczu takich kompromisów, także sam Einstein latami przeciwstawiał się wnioskom płynącym z eksperymentów kwantowych.
Okazało się, że świat kwantowy wymagał wprowadzenia nowych pojęć matematycznych, które pozwolą, aby na ich podstawie skonstruować nową wizję świata. I dopiero wtedy będzie można odpowiedzieć na pytanie: co się dzieje w świecie kwantów? Aby sie tego dowiedzieć, wcześniej trzeba jednak odpowiedzieć na Cztery Wielkie Pytania: 1) czy funkcja falowa jest rzeczywista?; 2) czy kolaps jest rzeczywisty?; 3) czy świat jest deterministyczny?; 4) czy istnieją zmienne ukryte? Tylko tyle i aż tyle. Jak się można domyślić, w książce nie znajdziemy odpowiedzi na te pytania. Ba! Obecnie ludzkość ich nie zna, sami autorzy zwracają uwagę, że możliwe jest, iż nigdy nie dowiemy się, co się dzieje w świecie kwantów.