Powinniśmy być zadowoleni, ponieważ mechanice kwantowej (teorii kwantów), czyli teorii ruchów świata mikroskopowego, zawdzięczamy niemało wynalazków, m.in. fotokomórkę, tranzystor, laser i reaktor atomowy. Dzięki teorii kwantów udało się poznać np. szczegóły atomowej budowy materii, zwłaszcza struktury elektronowej pierwiastków (co stanowi podstawę chemii kwantowej oraz fizyki ciała stałego). Zdołano też zgłębić zjawiska rozpraszania i zderzeń w skali atomowej oraz subatomowej (co jest podstawą m.in. fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych, kwantowej teorii pola, elektrodynamiki kwantowej). Teorii kwantów zawdzięczamy poznanie zjawiska przewodnictwa prądu w metalach i półprzewodnikach.

Niemałe zasługi w zgłębianiu tajemnic mechaniki kwantowej ma zespół prof. Antona Zeilingera, uczonego światowej sławy, dysponującego znakomitym laboratorium badawczym w Uniwersytecie Wiedeńskim. Z tą ambitną grupą naukowo−badawczą, odnoszącą niemałe sukcesy, współpracują naukowcy z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego. Odkrycia prof. Zeilingera, niezwykle sympatycznego uczonego z austriackim rodowodem, któremu w ubiegłym roku nadano tytuł oraz przywileje doktora honoris causa UG, budzą ogromne zainteresowanie nie tylko w świecie uczonych. Od zaprzyjaźnionego z nim prof. Żukowskiego (dyrektora Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki UG) dowiedzieliśmy się, że głoszone przez niego poglądy na temat teorii kwantów oraz jego odkrycia fascynują austriackich telewidzów. Prof. Zeilinger występuje regularnie w programach wiedeńskiej telewizji. Swoją popularność zawdzięcza m.in. pionierskiej, eksperymentalnej realizacji teleportacji kwantowej (stanów cząstek), jak również ukazywaniu wpływu mechaniki kwantowej na współczesną filozofię.

Mechanika kwantowa

Okazuje się, że natura mechaniki kwantowej nie może być wyjaśniona w ramach teorii deterministycznej (określonej), dającej ścisłe przewidywania wyników, a nie tylko ich prawdopodobieństwa, lecz jest odbiciem fundamentalnej, probabilistycznej natury wszechświata. Początków takiego myślenia należałoby szukać w teorii duńskiego uczonego Nielsa Bohra. W 1913 r. wyjaśnił on skwantowanie poziomów energetycznych w atomie wodoru. Jego propozycja rozwiązywała, nierozwiązywalny z ramach fizyki klasycznej, problem stabilności atomów. Zaproponował zestaw zasad heurystycznych, które pozwalały wyjaśnić stabilność materii, co dało podstawy do utworzenia nowego działu fizyki: fizyki kwantowej. Wprowadził on... zwariowany model atomu, co było pierwotną wersją mechaniki kwantowej. Jednak bardzo szybko zauważono ograniczenie teorii Bohra.

Albert Einstein jest twórcą teorii względności, współtwórcą korpuskularno−falowej teorii światła. Otrzymał Nagrodę Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego, wykorzystywanego obecnie m.in. w fotokomórkach. Należałoby jednak cofnąć się do spostrzeżeń Einsteina z 1905 r. Odkrył on, że światło jest nie tylko falą elektromagnetyczną, ale ma również naturę skwantowaną, czyli porcjowaną. Wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne, zakładając, że wiązka światła monochromatycznego niesie dyskretne wartości energii, której najmniejsza porcja – kwant (nazwany 21 lat później przez Gilberta N. Lewisa fotonem), posiada ściśle określoną, zawsze taką samą, energię. Einstein stwierdził, że własność ta dotyczy światła jako takiego, czyli że jest to cecha promieniowania elektromagnetycznego. Tym samym Einstein może być uważany za twórcę koncepcji skwantowania promieniowania elektromagnetycznego.

– Wcześniej sądzono, że światło jest wyłącznie falą – powiada prof. Marek Żukowski. – Aby wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne, trzeba założyć, że światło ma zarówno naturę falową, jak i cząsteczkową, co wydawać się może dziwne. Zjawisko to nazwano dualizmem korpuskularno−falowym. W konsekwencji, po pewnym czasie doszło do odkryć, z których wynikało, że coraz więcej zjawisk posiada tego typu naturę.

Do zjawisk zachodzących w mikroświecie konieczne jest zastosowanie mechaniki kwantowej, ponieważ mechanika klasyczna nie zapewnia ich poprawnego opisu. Jednak analiza zjawisk z wykorzystaniem mechaniki kwantowej wymaga bardzo skomplikowanych obliczeń. Prace teoretyczne Einsteina i Bohra mają charakter prekursorski. Pionierem fizyki kwantowej był Max Planck, niemiecki fizyk, który w 1900 przedstawił quasi−empiryczną teorię promieniowania ciała doskonale czarnego. Przewidywania tej teorii pokrywały się z wynikami doświadczalnymi. Jednak mechanikę kwantową stworzyli niezależnie Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger w 1925 roku. Została ona szybko rozwinięta dzięki pracom Maxa Borna i Paula Diraca.

Postęp i problem

Niezwykły, bardzo szybki postęp w zakresie badań dotyczących mechaniki kwantowej przynoszą lata 20. minionego stulecia. Wystarczy wymienić Comptona, który w 1922 pokazał korpuskularny charakter fotonu (światło zachowuje się jak zbiór korpuskuł o energii i pędzie). Wypada też wspomnieć o Louisie de Broglie, który w 1924 stworzył teorię fal materii. Rok później zrodziła się mechanika macierzowa Heisenberga, która jest pierwszym matematycznie spójnym i poprawnym opisem własności układów kwantowych. A w 1926 świat naukowy dowiedział się o mechanice falowej Erwina Schrödingera. Ten wybitny fizyk matematyczny, niezależnie odkrył mechanikę kwantową w postaci równania falowego. Opisał ruch elektronów w atomie wodoru w postaci fal, co zawarł w równaniu falowym. Sądził on, że elektron jest falą. – W rzeczywistości mamy do czynienia z jedną mechaniką kwantową. Można spojrzeć na nią oczyma Heisenberga i Schrödingera – stwierdza prof. Żukowski.

W szybkim tempie przybywało kolejnych odkryć o istotnym znaczeniu dla mechaniki kwantowej.

Mechanika kwantowa, która powstała ponad 80 lat temu, jest teorią praw mikroświata. – Do tej pory nie wykonano żadnego eksperymentu, którego wyniki zakwestionowałyby jej prawa – podkreśla prof. Żukowski. – Nawet olbrzymie akceleratory, wartości miliardów dolarów, pozwalające wnikać w bardzo dziwne sprawy materii, nie podważyły osiągnięć mechaniki kwantowej. Ma ona spektakularne sukcesy. Nie istnieje druga teoria naukowa, która miałaby tak ogromne dokonania. Dzięki niej skonstruowano wiele nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Cała nauka o półprzewodnikach jest ściśle związana z mechaniką kwantową. Półprzewodniki stały się zrozumiałe tylko dzięki mechanice kwantowej.

Istniał jednak pewien poważny problem, który bardzo niepokoił Einsteina, wynikający z tego, że mechanika kwantowa daje wyłącznie przewidywania probabilistyczne. – Mechanika klasyczna zakłada na przykład – wyjaśnia prof. Żukowski – że określony przedmiot, jeżeli odpowiednio go pchniemy, przewróci się tylko w jedną stronę. Jeżeli jednak stanie się inaczej, to teoretycy mechaniki klasycznej będą twierdzić, że dany przedmiot został źle pchnięty lub uderzony. Podobnie jest z grą w tenisa albo z bilardem. Gdyby ktoś uderzał precyzyjnie, zawsze by wygrywał – według mechaniki klasycznej. Przegrywa się dlatego, że nie kontroluje się dokładnie ruchów. Einsteina dręczyło to, że mechanika kwantowa daje jedynie wyniki probabilistyczne.

Inny przykład: mamy lustro półprzepuszczalne, czyli takie, które w połowie odbija światło, a w połowie je przepuszcza (czyli jest szybą i lustrem jednocześnie). Przyjmijmy, że foton (czyli drobna cząstka) pada na takie lustro. Einstein, który był zwolennikiem determinizmu, chciałby wiedzieć dokładnie, czy foton się odbije, czy też przejdzie przez takie lustro. Chciałby znać odpowiedź na pytanie, dlaczego foton „trafił” tam, a nie tu. Tymczasem mechanika kwantowa nie odpowiada na pytanie: „dlaczego?” Jedyną odpowiedzią, jaką daje mechanika kwantowa jest to, że prawdopodobieństwo zarówno przejścia, jak i odbicia, wynosi 1:2. – Einsteina bardzo niepokoił taki punkt widzenia i dlatego uważał on, że mechanika kwantowa jest teorią niepełną. W klasycznej fizyce prawdopodobieństwa występują wyłącznie z racji nieznajomości parametrów, rządzących danym zjawiskiem – podkreśla prof. Żukowski. – Podobnie rzut monetą bywa traktowany jak doskonałe zdarzenie losowe. Na przykład w rozgrywkach piłkarskich rzut monetą decyduje, kto pierwszy kopnie piłkę. I nikt nie kwestionuje rzutu monetą, jako dobrego zdarzenia losowego. Z drugiej jednak strony wiemy, znając parametry monety, że zależność wcale nie jest losowa, ale w każdym konkretnym przypadku nie znamy dokładnie parametrów monety, powietrza wokół niej itp. Tymczasem mechanika kwantowa nie daje ukrytych parametrów.

zwariowana teoria

Einstein nie ustawał w wysiłkach, pragnąc za wszelką cenę zachować determinizm. Wspólnie z Podolskim i Rosenem w 1935 opublikował pracę, w której przekonywał, że można wprowadzić ukryte parametry, będące w stanie odtworzyć i uzupełnić mechanikę kwantową. – Autorzy pracy popełnili błąd arogancji logicznej – podkreśla prof. Żukowski. – Przeanalizowali tylko jedno zjawisko, notabene, stosowane do badań guzów mózgu za pomocą tomografii PET (Positron Emission Tomography). Do ciała pacjenta wprowadza się czynnik radioaktywny, który rozpada się wskutek emisji antyelektronu. Antyelektron natychmiast anihiluje – powstają dwa kwanty gamma, biegnące w dokładnie przeciwne strony. Tą metodą można w sposób niezwykle precyzyjny określić, gdzie znajduje się guz, bo materiał radioaktywny osadza się właśnie w guzach.

I dopiero w 1964 John Bell (z Północnej Irlandii) uprościł teorię Einsteina, Podolsky’ego i Rosena i wykazał, że istnieją kwantowe korelacje całkowicie sprzeczne z tą teorią.

W 1989 Greenberger, Horn i Zeilinger wzmocnili twierdzenia Bella. Wykazali, że teoria Einsteina, Podolsky’ego i Rosena jest absurdalna. – Okazuje się, że zupełnie niemożliwe są deterministyczne, czyli realistyczne teorie mikroświata, które jednocześnie są lokalne, czyli zgodne z teorią względności. Innymi słowy, lokalność oznacza – podkreśla prof. Żukowski – że eksperyment, który przeprowadzamy tutaj, nie ma żadnego wpływu na to, co dzieje się gdzie indziej w tej samej chwili. Zjawiska równoczesne nie mogą mieć na siebie bezpośredniego wpływu. Jednoczesne zdarzenia mogą mieć tylko wspólną przyczynę.

Od 1952 r. znana jest nielokalna, deterministyczna teoria z parametrami ukrytymi, równoważna mechanice kwantowej, tzw. mechanika Bohma i jest ona – twierdzi prof. Żukowski – zwariowana, wręcz surrealistyczna. Cząstki... lecą sobie zygzakiem. Niektórzy mówią, że to nowa teoria, a inni, że to tylko interpretacja mechaniki kwantowej. Natomiast, jeżeli przyjmiemy lokalność i jednocześnie realizm, to nie możemy odtworzyć mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa wygrywa w eksperymentach, które konfrontują ją z lokalnym realizmem. Równoczesność, prawdziwość zasad lokalności i realizmu jest wykluczona.

Kwietniowy numer „Nature” zamieścił publikację An Experimental Test of Non−local Realism (Eksperymentalny test realizmu nielokalnego), opisującą wyniki doświadczenia przeprowadzonego niedawno w Uniwersytecie Wiedeńskim przez zespół prof. Antona Zeilingera. Pod tekstem podpisali się: Simon Gröblacher, Tomasz Paterek (UG, doktorant prof. Żukowskiego, zatrudniony obecnie w Austrii), Rainer Kaltenbaek, Caslav Brukner, Marek Żukowski (UG), Markus Aspelmeyer i Anton Zeilinger. Wspomniany eksperyment, dotyczący podstaw mechaniki kwantowej i jej możliwych interpretacji, stawia pod znakiem zapytania założenie realizmu. Autorzy tekstu dowodzą, że w mikroświecie nic nie jest określone, dopóki nie zostało zaobserwowane. Niemożliwe jest zrozumienie przewidywań kwantowo−mechanicznych na podstawie światopoglądu klasycznego. Taki światopogląd polega na tym, że obiekty fizyczne mają określone właściwości, niezależnie od tego, czy są obserwowane, czy nie (realizm), a odlegle obiekty są od siebie niezależne (lokalność).

Zwolennikiem takiej teorii był Einstein. Jednak na brak możliwości pogodzenia jej z mechaniką kwantową wskazał J.S. Bell. Autorzy tekstu stawiają zasadnicze pytania: Jak wobec tego interpretować mechanikę kwantową? Które ze wspomnianych założeń są nieprawdziwe? Niemało uczonych twierdzi, że zawodzi lokalność. Dlatego słyszy się często, że mechanika kwantowa jest nielokalna. Zespół prof. Zeilingera uogólnił nierówność Leggetta, którą spełniają przewidywania pewnej „naturalnej” grupy teorii nielokalnych i realistycznych. Następnie przeprowadził bardzo precyzyjny eksperyment, w którym potwierdzono przewidywania kwantowe. I jest to niemały sukces, a zarazem przysłowiowy kij w mrowisko. W wyniku eksperymentu wykluczono sensowny, nielokalny realizm. – Wiemy, że zwolennicy realizmu dopadną nas jak wilki niewinne owieczki – śmieje się prof. Żukowski.

Wspomniany eksperyment (niestety, niedoskonały ze względu na nieuniknione niedoskonałości urządzeń laboratoryjnych) wykluczył rozsądny realizm nielokalny. – Pozostaje więc zwolennikom realizmu tylko nierozsądny realizm nielokalny – powiada profesor. Wypada zatem wreszcie powiedzieć głośno to, co twierdzili Bohr i Heisenberg, a przede wszystkim Bohr, że realizm nie obowiązuje w świecie kwantów. Został już tylko nielokalny realizm „zwariowany”. Sensowny został obalony.

Czego można oczekiwać?

Pracownicy naukowi zajmujący się badaniami podstawowymi na ogół nie zaprzątają sobie głowy tym, do czego zostaną wykorzystane ich odkrycia. Na tyle absorbuje ich teoria, że zastosowanie wyników badań pozostawiają praktykom. Zresztą nie jest ich zadaniem poszukiwanie praktycznych zastosowań. Można jednak założyć, że dzięki mechanice kwantowej elektronika wykona niebawem olbrzymi krok do przodu. Stworzono już system kryptografii kwantowej, którego nie złamie żaden haker. Gdyby można było go rozpowszechnić, co nie jest łatwe, to zakupy internetowe byłyby całkowicie bezpieczne.

Dzięki mechanice kwantowej obecnie powstaje większość nowych technologii na świecie. Najbardziej spektakularne byłyby np. kwantowe komputery, które obrabiałyby kwantowe bity, czyli układy, o których nie wiadomo, jak się zachowają. Miałyby one gigantyczną moc i mogłyby złamać wszystkie szyfry klasyczne. A co jeszcze? Trudno przewidzieć. Postęp w nauce dokonuje się niezwykle szybko.