Co mówi kot Schrödingera o mechanice kwantowej

Obrazek: Kot Schrödingera. Co mówi kot Schrödingera o mechanice kwantowej. Wielu uczonych wypowiada się na temat mechaniki kwantowej, a ich twierdzenia w tej kwestii różnią się i to od samego początku. Teoria mechaniki kwantowej została stworzona do badania mikroobiektów. Fizyka klasyczna nie sprawdzała się, bowiem nie dawała adekwatnego opisu mikroświata. Jednak od początku mechanika kwantowa (początek XX wieku) generowała całe mnóstwo problemów, trudności, kontrowersji oraz wzajemnej krytyki. [Poniższy wpis jest uzupełnieniem poprzedniego wpisu: Czym jest fizyka dla filozofii o pewne kwestie z mechaniki kwantowej].

Połączenie podmiotu z badanym przedmiotem

W mechanice kwantowej nie daje się ściśle oddzielić tego, co badamy, od tego, kto bada i za pomocą czego bada. Czyli, nie można wyraźnie wyodrębnić mikroobiektu badanego od makroprzyrządu pomiarowego i samego obserwatora. Zachodzą bowiem niekontrolowane oddziaływania między nimi zarówno w procesie pomiaru jak i opisu.

Jest to związane z faktem, że opis kwantowy (za pomocą funkcji falowej – wektora stanu) nie jest czystym opisem stanu mikroobiektu. Jest zarazem metaopisem naszej wiedzy dotyczącej owego stanu, co nieuchronnie łączy podmiot z przedmiotem. Przy tym próba oddzielenia tych dwóch opisów (tzn. opisu przedmiotowego i metaopisu) jest – przynajmniej według niektórych interpretacji mechaniki kwantowej, np. interpretacji kopenhaskiej – tak samo bezsensowna, jak mówienie o prędkości bez wskazania układu odniesienia, względem którego prędkość się mierzy.

Wygląda na to, że – jak twierdzi np. Werner Heisenberg – mikroobiekty jako takie istnieją jedynie w sposób potencjalny (tu Heisenberg powołuje się na Arystotelesa), nie zaś aktualny. Dopiero procedura pomiarowa dookreśla je do obiektów w pełni realnych, istniejących obiektywnie. A więc np. elektron w stanie swobodnym jest w potencji zarówno cząstką, czyli można powiedzieć rzeczą, jak też falą. To znaczy – jest procesem, i dopiero wskutek pomiaru ujawnia się jako cząstka lub fala w zależności od sytuacji doświadczalnej, i w zależności od typu makroprzyrządu pomiarowego.

Zgodnie z interpretacją kopenhaską, można to także ująć w stwierdzeniu, że gdy nie obserwujemy danego układu kwantowego, istnieje on w stanie superpozycji, czyli nakładania się na siebie wszystkich możliwych stanów. Natomiast pomiar lub obserwacja powoduje redukcję funkcji falowej do jednego z tych stanów (przy czym wybór jest wyłącznie kwestią prawdopodobieństwa)¹Por. J. Gribbin, W poszukiwaniu Wielkiego Wybuchu, Wyd. Zysk i S-ka, Poznań 2000, s. 226–241.

Fizycy mówią, że mikroobiekt sam przez się istnieje mniej realnie, niż mikroobiekt w danym stanie, dookreślonym i ustalonym w akcie pomiarowym.

Można by też – jak się wydaje – powiedzieć, że mikroobiekt w stanie swobodnym jest obiektem teoretycznym. Istnienie jego jest mniej realne, niż istnienie mikroobiektu ujawnianego w pomiarze, który to czyni go obiektem empirycznym, w pełni realnym. Jest to sytuacja paradoksalna, gdyż stopień realności mikroobiektu zależy od procedury pomiarowej, która nie jest procedurą w pełni obiektywną. Wygląda na to, że dopiero (częściowo) subiektywny akt podmiotu czyni mikroobiekt czymś w pełni realnym.

Co mówi kot Schrödingera o mechanice kwantowej

Erwin Schrödinger (w 1935 r.) poddał krytyce interpretację kopenhaską mechaniki kwantowej, przedstawiając pewien eksperyment myślowy. Do pudełka nieprzeźroczystego wkłada się żywego kota, truciznę, młoteczek, detektor promieniowania, np. licznik Geigera i atom pierwiastka promieniotwórczego. (Różnie przedstawia się przebieg eksperymentu: albo uruchomiony młoteczek zbije butelkę z trucizną, albo detektor promieniowania uruchomi trujący gaz). W każdym razie, jeśli nastąpi rozpad atomu, to zostanie wyemitowana cząstka promieniowania jonizującego, a detektor promieniowania to wykryje i uruchomi uwolnienie trucizny.

Do tego czasu kot jest żywy. Po upływie połowicznego czasu rozpadu atomu, kot jest w 50% żywy, i w 50% martwy. Jeśli nastąpi rozpad atomu, to kot będzie martwy, a jeśli rozpad nie nastąpi, to kot jest nadal żywy. Czyli wg interpretacji kopenhaskiej kot jest w każdym z możliwych stanów superpozycji, czyli jednocześnie żywy i martwy. Jak było podane wyżej: dopiero pomiar lub obserwacja powoduje redukcję funkcji falowej do jednego ze stanów (przy czym wybór jest wyłącznie kwestią prawdopodobieństwa), tzn. kot będzie żywy, albo martwy. 

Determinizm oraz korelacja kwantowa

W rzeczywistości mechanika kwantowa – jak zaświadczają eksperymenty, które mają na celu sprawdzenie tzw. nierówności Bella – zmusza do odrzucenia jednej z dwu fundamentalnych idei filozoficznych. To jest, idei obiektywności świata bądź też idei lokalności, a tym samym determinizmu (jednoznacznego).

Eksperymenty te pokazują bowiem, że pomiar przeprowadzony w jednym miejscu czasoprzestrzeni wywiera zadziwiający wpływ na wynik pomiaru przeprowadzonego w innym miejscu czasoprzestrzeni. Mimo że obszary te nie mogą na siebie wpływać za pomocą żadnego oddziaływania fizycznego. Mamy tu do czynienia z jakąś tajemniczą korelacją kwantową między zjawiskami tworzącymi wcześniej jeden układ kwantowy, lecz obecnie oddzielonymi interwałem przestrzennopodobnym, który uniemożliwia wszelkie oddziaływanie między nimi. Oddziaływania nie ma, a zbieżność (czy zgranie) jest. Można powiedzieć, że istnieje tu coś na kształt przedustawnej harmonii Gottfrieda W. Leibniza.

Albert Einstein niechętnie odnosił się do mechaniki kwantowej, nastawionej na kwantyzację różnych wielkości, uważając ją za teorię niekompletną i prowizoryczną. Ale niechęć ta dotyczyła nie idei kwantowości, lecz rezygnacji z determinizmu (jednoznacznego), któremu do końca życia pozostawał wierny. Do rozwoju idei kwantowości sam Einstein mocno się przyczynił, wyjaśniając na przykład efekt fotoelektryczny, za który otrzymał Nagrodę Nobla.

Logika kwantowa

Wszyscy wybitni znawcy mechaniki kwantowej podkreślają, że jest to teoria dziwna, pozbawiona wszelkiej poglądowości, niemająca żadnej rozsądnej realistycznej wykładni. Richard Feynman – uważany za najlepszego jej znawcę, od czasu wymarcia jej twórców – pisze, że w ogóle nie rozumie tej teorii. Z kolei Niels Bohr mówi, że kto zapoznając się z mechaniką kwantową po raz pierwszy nie doznaje zawrotu głowy, ten po prostu nic z tej teorii nie rozumie. Otóż wszystko to nasuwa przypuszczenie, że mechanika kwantowa podlega jakiejś swoistej logice – logice kwantowej. Przypuszczenie to poważnie biorą pod uwagę zarówno fizycy (tacy jak Werner Heisenberg, czy Carl Weizsäcker), jak i matematycy (np. John von Neumann), wreszcie filozofowie (np. Hans Reichenbach).

Za logiką kwantową przemawia zatem fakt, że nikt dobrze nie rozumie mechaniki kwantowej.

Natomiast przeciwko logice kwantowej przemawia – zdaje się – okoliczność, że matematyka, oparta na logice klasycznej, świetnie sobie radzi z mechaniką kwantową.

Widać to szczególnie wyraźnie, jeśli się uwzględni, że mechanika kwantowa została sformułowana za pomocą kilku zasadniczo odmiennych aparatów matematycznych. Mamy np. trzy ujęcia tej teorii w terminach przestrzeni Hilberta i jeszcze pewne inne ujęcia bez wykorzystania tej przestrzeni²Zob. M. Heller, Mechanika kwantowa dla filozofów, Wyd. Biblos, Kraków 1996, s. 110.

Tak naprawdę, to nie wiadomo, czy za kłopoty ze zrozumieniem mechaniki kwantowej odpowiedzialna jest jedynie nasza (ograniczona) wyobraźnia – wyobraźnia makroskopowa, czy aż nasza logika – logika klasyczna. Pozostaje faktem, że nasza wyobraźnia jest zdolna do przedstawiania sobie jedynie makroobiektów. W tym sensie nasze możliwości wyobrażeniowe nie sięgają ani mikroświata ani świata kosmicznego. Oba te światy poznajemy jedynie dzięki matematyce, która wykazuje zatem większą moc poznawczą niż nasza („makroskopowa”) wyobraźnia³Zob. M. Heller, Nauka i wyobraźnia, Wyd. Znak, Kraków 1995, s. 168–171.

Gdyby się okazało, że mechanika kwantowa rzeczywiście wymaga nowej logiki, to potwierdziłyby się intuicje fizyków, że rewolucja kwantowa jest największą i najgłębszą rewolucją w dziejach fizyki. A nawet w dziejach całej nauki, gdyż żadna inna rewolucja naukowa nie doprowadziła do konieczności zastosowania nowej logiki.

Według Willarda V.O. Quine’a sprawdzanie w nauce obejmuje całe ciało nauki. Zmiany są tym głębsze, im w większym stopniu dotyczą nauk odległych od doświadczenia. Najbardziej odległą od doświadczenia (aczkolwiek także w jakiejś mierze w doświadczenie według Quine’a uwikłaną) jest właśnie logika. Zgodnie z Quinem w szarej tkance nauki nie ma nitek całkowicie białych i całkowicie czarnych, czyli nie ma twierdzeń czysto analitycznych i czysto syntetycznych.

Literatura

• Bańka J., Ontologia bytu aktualnego, Uniwersytet Śląski, Katowice 1986.
• Bańka J., Traktat o czasie, Uniwersytet Śląski, Katowice 1991.
• Butryn S., Poszukiwanie ostatecznej teorii fizycznej, [w:] E. Piotrowska, J. Wiśniewski (red.), Z filozofii przyrodoznawstwa i matematyki, Wyd. Fundacji Humaniora, Poznań 2002.
• Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M.,  Feynmana wykłady z fizyki, t. III, Mechanika kwantowa, PWN, Warszawa 1972.
• Gribbin J., W poszukiwaniu Wielkiego Wybuchu, Wyd. Zysk i S-ka, Poznań 2000.
• Heisenberg W., Fizyka i filozofia, KiW, Warszawa 1965.
• Heller M., Nauka i wyobraźnia, Wyd. Znak, Kraków 1995.
• Heller M., Mechanika kwantowa dla filozofów, Wyd. Biblos, Kraków 1996.
• Such J.,  Paradoksy pochodzenia Wszechświata, [w:] E. Piotrowska, J. Wiśniewski (red.), Z filozofii przyrodoznawstwa i matematyki, Wyd. Fundacji Humaniora, Poznań 2002.
• Weinberg S., Sen o teorii ostatecznej, Wyd. Alkazar, Warszawa 1994.

Ilustracje

Werner Heisenberg, źródło: Wikimedia Commons
Erwin Schrödinger, źródło: Wikimedia Commons
Willard V.O. Quine, źródło: Wikimedia Commons