Kwanty nie gryzą. Bezbolesny przewodnik po dziwactwach mechaniki kwantowej ebook

Copyright © Nina Mazurewicz, 2025

Projekt okładki

Magdalena Palej

Redaktor prowadzący

Adrian Markowski

Konsultacja naukowa

dr inż. Konrad Wilczyński

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8391-762-7

Warszawa 2025

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

[email protected]

Dla Rodziców, za każdy kwant Waszego wsparcia

1.

No i zrobiło się dziwnie… Wprowadzenie do świata fizyki kwantowej

Jeśli chodzi o atomy, języka można używać tylko tak jak w poezji. Poeta również jest zainteresowany nie tyle opisywaniem faktów, ile tworzeniem obrazów i nawiązywaniem mentalnych połączeń.

Niels Bohr1

Fizyka kwantowa jest wyzwaniem. Nawet dla fizyków. Za chwilę przeczytasz co nieco o tym, jaki nasz świat jest dziwny. Nie przesadzam. Opisana tutaj historia dotyczy mechaniki kwantowej, a ta znana jest właśnie ze swoich dziwactw. Zanim jednak narobię Ci takiego stracha, że zamkniesz tę książkę już na pierwszej stronie, muszę Cię trochę uspokoić. Obiecuję, że wszystko z niej zrozumiesz. Uwierzysz, że w tym całym szaleństwie jest metoda. Tymczasem nim przejdziemy do rzeczy szalonych, poświęćmy chwilę na prześledzenie, skąd się one w ogóle wzięły. Jak się o nich dowiedzieliśmy? Kiedy dotarło do nas, jak wygląda modus operandi Wszechświata? Skąd wzięło się zamieszanie zwane fizyką kwantową? Żeby odpowiedzieć na te pytania, cofniemy się trochę w czasie. Będę w tej podróży Twoim przewodnikiem. Jest to wycieczka obowiązkowa dla tych, którzy chcą zrozumieć kwantówkę. Dlaczego? Bo musimy połączyć kropki. Fizyka kwantów jest wynikiem wielu lat pracy naukowców. Tej historii nie można opowiedzieć z pominięciem kilku niekwantowych wątków. Masz ochotę zapytać, po co cały ten wysiłek? To zabrzmi trochę pompatycznie, ale my tutaj będziemy się ocierać o tajemnicę Wszechświata. Jeśli to do Ciebie nie przemawia, to sama już nie wiem, co mogłoby Cię przekonać. Okej, mam jeden pomysł! Może opowiem tutaj kilka ciekawostek, którymi popiszesz się później przed rodziną i znajomymi? W końcu nic tak nie imponuje innym jak znajomość tematów, które im wydają się czarną magią, prawda? Tak naprawdę jednak w kwantówce nie ma ani krzty magii, chociaż faktycznie różni się ona od klasycznego opisu świata. Dlaczego? Do czasu, kiedy się pojawiła, nauka stroniła już raczej od filozofii. Pomimo że ta druga towarzyszyła fizyce od starożytności i była jak żyzna gleba dla rodzących się wtedy nauk przyrodniczych, fizycy unikali jej później jak ognia. Podkreślali za to i podkreślają nadal rolę eksperymentu. Fakty, fakty i jeszcze raz fakty! Nie ma tu miejsca na metafizykę. Nie ma miejsca na wywody, które nie przybliżą nas do głębszego zrozumienia Wszechświata. Ale zaraz, zaraz… Czy aby na pewno nie przybliżą? Odpowiadając na pytania o fizykę kwantową, potykamy się często właśnie o problemy natury filozoficznej. Mechanika kwantowa jest jedną z najlepiej potwierdzonych doświadczalnie teorii w dziejach ludzkości, chociaż w tej podróży do granic ludzkiej wyobraźni nie sposób nie otrzeć się właśnie o kilka fundamentalnych kwestii. W ramach tylko jednego fizycznego królestwa dostajemy więc niepodważalne fakty i filozoficzne rozważania. Wszystkim, którzy twierdzili, że prawdziwa nauka nie lubi takich połączeń, fizyka kwantowa trochę uciera nosa. Ja chciałabym Cię tutaj z nauką zbliżyć. A żeby było z sensem, nie możemy pominąć żadnego z istotnych elementów układanki. Ci, którzy chcą zrozumieć mechanikę kwantową, muszą trochę posiłować się nie tylko z samą teorią, lecz także z jej interpretacją. Zanim jednak zmierzymy się z tym przeciwnikiem, wypadałoby chociaż wspomnieć, skąd w ogóle wziął się on na ringu.

Wspominałam już wcześniej, że kwantówka jest wynikiem wieloletniej pracy naukowców. Czy to oznacza, że wszystko, co przed nią, to strata czasu? Błąd, o którym najlepiej zapomnieć? Choć chciałabym chwilę o tym pogadać, najpierw odpowiem krótko, żeby od początku nie było żadnych niejasności: zdecydowanienie! Nauka bez chwili przerwy goni za prawdą. Naukowcy wiedzą przy tym, że ta droga prowadzi czasami po trupach. Te trupy to nic innego jak twierdzenia, które są nieustannie podważane. Zbiór prawd o świecie jest ciągle udoskonalany, aktualizowany, żeby coraz dokładniej opisywał naszą rzeczywistość. Właściwie historię wielu teorii naukowych można byłoby streścić tylko jednym zdaniem: „Na razie jest okej, ale musimy szukać czegoś lepszego”. Nauka jest żywa. Każde podważone twierdzenie musi ostatecznie ustąpić miejsca takiemu, które w danym momencie lepiej opisuje faktyczny stan rzeczy. Jednak bardzo prawdopodobne, że później znowu znajdziemy gdzieś lukę. Coś nie będzie się zgadzało. To dowód na to, że potrzeba nam kolejnego twierdzenia, które wypełni tę pustkę. I tak dalej, i tak dalej. Niekończąca się historia? Liczymy jednak na to, że tę układankę uda się w końcu ułożyć i, co za tym idzie, wreszcie uczynić fizykę kompletną. A to oznaczałoby usłyszenie opowieści o Wszechświecie bez pominięcia żadnego z wątków. O podejmowanych próbach tego kompletowania i ich skutkach będę jeszcze opowiadać w kolejnych rozdziałach tej książki. Jednak do wspomnianych rozdziałów i końca fizyki jeszcze trochę. Wszystko krok po kroku.

Tymczasem nie szukamy, jak mogłoby się wydawać, dowodów, które pozwoliłyby nam potwierdzić nasze przypuszczenia na temat świata. Szukamy raczej tego, co obala stawiane przez nas tezy. Może Ci się to wydawać nielogiczne, ale to tylko pozory – my właśnie tak popychamy naukę do przodu. Nieustannym kwestionowaniem wszystkiego, co zostało przed chwilą uznane za słuszne. Nie ma co się patyczkować. Cel to doczłapać się w końcu do prawdy. Zwykle dokonujemy tego, po prostu przeprowadzając rozmaite eksperymenty. Właściwie każdego dnia zwiększamy swoje możliwości, żeby docierać tam, gdzie nikogo jeszcze przed nami nie było. Budujemy teleskopy, które pozwalają nam podziwiać kosmiczny świt, a więc okres trwający od 250 do 350 milionów lat po Wielkim Wybuchu, czyli pierwszej ze znanych nam katastrof. Początku, który wydarzył się nie w przestrzeni i czasie, ale przestrzeń i czas stworzył. W skali Wszechświata jest to zaledwie chwilę po początku wszystkiego (jeżeli w ogóle był jakiś początek, ale o tym też jeszcze sobie pogadamy). A to naprawdę dawno temu. Prowadzimy więc obserwacje kosmosu, ale równocześnie badamy też to, co dzieje się w znacznie, znacznie mniejszej skali. Każdy pewnie słyszał kiedyś o szwajcarskim CERN. To jeden z najważniejszych na świecie ośrodków naukowo-badawczych. Dlaczego o nim wspominam? Bo na przedmieściach Genewy dzieje się nauka przez wielkie N. To prawdziwa mekka fizyki jądrowej. Naukowcy pracujący w CERN próbują znaleźć odpowiedź na niebanalne bądź co bądź pytanie: z czego zrobiony jest Wszechświat? Pod pokojami, z których badacze kontrolują przeprowadzane eksperymenty, kilkadziesiąt metrów pod ziemią znajduje się akcelerator o długości 27 kilometrów. Zadaniem tego akceleratora, nazwanego Wielkim Zderzaczem Hadronów, jest przyspieszanie cząstek do nieprzyzwoitych wręcz prędkości.

To, co się wówczas z nimi dzieje, jest wyłapywane przez inne urządzenia, które określamy mianem detektorów. A dzieją się naprawdę niesamowite rzeczy. Akceleratory rozpędzają cząstki do prędkości bliskich prędkości światła, a więc, o czym już niedługo więcej Ci opowiem, tej największej (w kontekście przemieszczania się informacji lub materii) znanej we Wszechświecie. Tak przyspieszone cząstki zderzają się ze sobą. Na podstawie przebiegu tych zderzeń badane są później ich właściwości. Zdarza się, że naukowcy, którzy całą dobę czuwają przy Wielkim Zderzaczu Hadronów, natrafią na coś naprawdę wyjątkowego. Niektóre zderzenia ujawniają czasami istnienie nowych, nieobserwowanych wcześniej cząstek. Jedną z nich był bozon Higgsa, o którym mogliście już gdzieś wcześniej słyszeć. Temat bozonu Higgsa cieszył się dużą popularnością i przez dłuższy czas nie schodził z pierwszych stron gazet (nie zdziwiłabym się, gdyby pisali o nim nawet na Pudelku), a samą cząstkę niektórzy nazywali boską. Dlaczego? Uważa się, że bozon Higgsa jest aktywnym uczestnikiem arcyważnego procesu. Procesu nadawania ciałom masy. Bozon Higgsa jest związany z wypełniającym całą przestrzeń polem Higgsa. Cząstki uzyskują masę, oddziałując z tym polem – im silniejsze jest to oddziaływanie, tym większa masa cząstki. Odnalezienie go było jednym z najdonioślejszych wydarzeń świata nauki ostatnich lat. Jeśli nie jednym z najdonioślejszych w ogóle! Cząstka ta była tak trudna do wykrycia, że w kuluarach używało się czasami względem niej pojęcia nie boska, ale cholerna… Zostawmy teraz jednak fizykę cząstek, bo będziemy o niej jeszcze rozmawiać później. Na razie chciałam tylko zwrócić Twoją uwagę na to, jakie niesamowite rzeczy jesteśmy w stanie osiągać. Kroki w kierunku rozwoju stawiamy nie tylko w laboratoriach, chyba że możemy nimi nazwać również nasze… głowy. Wiele eksperymentów, nazywanych eksperymentami myślowymi, toczy się też bowiem pod tymi kopułami. Najbardziej znani ze swoich eksperymentów myślowych byli między innymi Albert Einstein i Nikola Tesla. No bo co zrobić, jeśli rozwój technologiczny nie nadąża za naszymi pomysłami, a my mamy w sobie nieposkromioną potrzebę, żeby odkryć i zrozumieć więcej? Te i inne przykłady udowadniają tylko, że zdumiewający postęp nauki i technologii jest wynikiem uporu i pasji uczonych. Jednocześnie potwierdza też zasadność naszej metody działania. Pamiętasz jeszcze? Szukamy luk w przyjętym sposobie myślenia i niedociągnięć w uznawanych twierdzeniach naukowych. To sprawia, że z każdym rokiem przesuwamy horyzont coraz dalej. Wspominałam, że zabiorę Cię w podróż w czasie. Po krótkim wstępie nadszedł ten moment. Poznajmy trochę historii nauki i dotrzyjmy do chwili narodzin fizyki kwantowej, dla której się przecież tutaj zebraliśmy. Gotowi?

Wyjaśniłam Ci już, jak dochodzimy do coraz bardziej trafnych twierdzeń i zdobywamy coraz większą wiedzę o otaczającym nas świecie. Domyślasz się więc pewnie, że kwantówka pojawiła się na fizycznej scenie w odpowiedzi na znaki zapytania, na których wyłożyły się wszystkie uznane wcześniej za poprawne teorie. Jakie? Show przez długi czas należało do fizyki klasycznej, która przeżywała swoje piętnaście minut głównie za sprawą Isaaca Newtona. Kropką nad i oraz zwieńczeniem jego wieloletnich badań była opublikowana w 1687 roku książka Matematyczne zasady filozofii naturalnej. Dzieło życia Newtona i publikacja, która wywróciła (nie przesadzam) świat nauki do góry nogami. W swoich Principiach, bo tak często nazywa się tę pracę, opisał on zasady dynamiki, które leżą u podstaw właśnie fizyki klasycznej. Zawarł tam też naukową analizę anegdotycznej sytuacji, z którą chyba większość ludzi najczęściej go kojarzy. Przypominasz sobie na pewno gościa, który oberwał w głowę spadającym z drzewa jabłkiem. Do nieźle obolałej głowy Newtona miało wtedy dotrzeć, że spadanie przedmiotów i ruch ciał niebieskich w kosmosie są spowodowane jedną i tą samą siłą. Tym genialnym uogólnieniem Isaac dał początek pojęciu grawitacji.

Prawo powszechnego ciążenia opisał właśnie w Principiach. Na ich kartach nie opowiedział jednak wspomnianej historyjki. I nie tylko dlatego, że nie wypadało robić tego w publikacji naukowej. Nie takie historie można w nich czasem znaleźć! Wymyślił ją po prostu najprawdopodobniej pod koniec życia, żeby pokazać, jak wielką inspiracją dla jego pracy była codzienność… Bajerant! Ale trzeba Newtonowi przyznać, że brzmi fajnie. Jeszcze fajniej brzmi to, że jego praca dała przyszłym pokoleniom naukowców podstawy, na których bazowała większość powstających później modeli fizycznych. Od świata makro do mikroskali. Zdawało się, że Newtonowi naprawdę udało się ogarnąć wszystko. Newtonowski Wszechświat był pierwszą z wielkich rewolucji w fizyce. Principia nazywano ewangelią i zaczęło się nawet mówić, że nie ma już nic więcej do roboty: „Wszyscy możemy rozejść się do domów”. I nie było. Do czasu aż okazało się, że teoria kłóci się jednak trochę z obserwowaną rzeczywistością. A nawet trochę bardzo. I obrazek zaczął się rozjeżdżać.

Jak to się stało, że jedna ewangelia została zastąpiona inną? Jak zawsze było to następstwem rozwoju i patrzenia coraz dalej w otaczającą nas rzeczywistość. Kiedy bowiem bliżej (i dokładniej) zaczęliśmy się przyglądać kosmosowi, okazało się, że dotychczas przyjęte założenia mają pewne braki. Chociaż prawa Newtona mówiły o grawitacji całkiem sporo, to nie pozwalały wyjaśnić sposobu jej oddziaływania ze światłem albo na przykład ruchu Merkurego, który tańczył jednak na swojej orbicie inaczej, niż przewidywała to teoria. Newton tłumaczył grawitację jako siłę przyciągającą pomiędzy dwoma obiektami. W jego przekoloryzowanej historii to Ziemia przyciągnęła więc jabłko, które ostatecznie nabiło mu guza. Ten obrazek satysfakcjonował wszystkich (no, prawie wszystkich) do momentu, kiedy na jaw zaczęły wychodzić przywołane już wcześniej zjawiska, niedające się wytłumaczyć newtonowskim podejściem. I właśnie w czasie gdy grawitacja wręcz woła o doprecyzowanie, głos zabiera trzydziestosześcioletni fizyk Albert Einstein. W 1915 roku występuje na forum Pruskiej Akademii Nauk i przedstawia przed jej członkami ogólną teorię względności. O co w niej w ogóle chodzi i dlaczego była, a właściwie nadal jest tak rewolucyjna? Zacznijmy od tego, że ogólna teoria względności nie mówi tak naprawdę o sile grawitacyjnej. I zanim nazwiesz mnie wariatką (chociaż wcale bym się nie obraziła), daj mi, proszę, doprecyzować, co mam na myśli. Ogólna teoria względności opisuje raczej geometrię czasoprzestrzeni, której grawitacja jest tylko (i aż) skutkiem. Wiem, odrobinę zagmatwane, postaram się więc to teraz trochę rozjaśnić.

Newtonowska grawitacja miała swoją przyczynę bezpośrednio w masie obiektów, podczas gdy ta einsteinowska (nie zgub się w tym tylko i pamiętaj, że chociaż próbujemy opisać ją na różne sposoby, grawitację mamy tylko jedną) bierze się dopiero z ruchu w czasoprzestrzeni, na wszystkie strony powykrzywianej przez mające masę obiekty. Planety, według Newtona, poruszają się więc po swoich orbitach pod wpływem siły grawitacyjnej Słońca, podczas gdy zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina ich ruch spowodowany jest właśnie krzywizną czasoprzestrzeni, w której się przemieszczają. Krzywizną czasoprzestrzeni nazywamy sposób, w jaki obecność masy, takiej jak planeta, gwiazda, a nawet Twoje ciało, zakrzywia przestrzeń i czas wokół siebie. Wyobraź sobie, że najcięższa z Twoich piłek rzucona na rozciągnięty skrawek materiału tworzy dołek, a kolejne, już lżejsze dorzucone piłki toczą się w kierunku tego dołka. W podobny sposób masy zakrzywiają i układają pod siebie czasoprzestrzeń. I chociaż geometria czasoprzestrzeni jest znacznie bardziej skomplikowana niż w powyższym przykładzie, bo jednak masy kąpią się w niej i oblewają się nią całe, być może pozwoli Ci on uchwycić ideę, która stoi za wygiętą czasoprzestrzenią. Bo w rzeczywistości planety i inne obiekty kosmiczne poruszają się po zakrzywionych ścieżkach w zakrzywionej czasoprzestrzeni, co jest przyczyną ich orbitowania wokół większych mas, takich jak Słońce. Teorie tych wielkich panów różniły się jeszcze w kilku innych punktach… Nie zgadzali się też co do prędkości oddziaływania grawitacyjnego. Newton sądził, że działa ono natychmiast; Einstein założył, że krzywizna czasoprzestrzeni potrzebuje chwili, żeby się rozprzestrzenić pod postacią fal grawitacyjnych poruszających się z prędkością światła. Siła grawitacji działa więc z pewnym opóźnieniem. Oznacza to, że gdyby nagle zniknęło Słońce, Ziemia odczułaby to dopiero po mniej więcej ośmiu minutach, bo tyle zajęłoby dotarcie do nas tej zmiany pola grawitacyjnego. Przyczynkiem do dyskusji było także oddziaływanie grawitacji ze światłem: według Newtona miało ono przechodzić przez pole grawitacyjne praktycznie niezauważalnie, za to Einstein punktował, że światło jest jednak zakrzywiane przez czasoprzestrzeń i podlega grawitacji. Ostatecznie można więc powiedzieć, że teoria Einsteina jest pogłębioną analizą tej jednej z czterech sił podstawowych (bo przyjmuje się, że jest ich cztery, a jakie dokładnie, dowiesz się później) i bardziej rozbudowaną wersją teorii Newtona. Tak jak wspominałam kilka stron wcześniej, rozwój nauki można byłoby porównać do cebuli – pisząc jej historię, odkrywamy i dokładamy do już istniejących teorii kolejne warstwy. A nauka sama w sobie jest trochę jak ser szwajcarski. Z dziurami, które sukcesywnie łatamy. Pytanie za sto punktów: czy piszę głodna? Pocztówka z kosmosu dla tych z Was, którzy policzą, ile gastronomicznych porównań padnie do końca tej książki. Wróćmy do tematu: teoria Alberta Einsteina bardzo zainteresowała fizyków i matematyków, którzy chcieli zrozumieć, jak przestrzeń i czas wpływają na ruch ciał w przestrzeni kosmicznej. Zaczęli eksperymentować, żeby potwierdzić przewidywania ogólnej teorii względności, a jednym z takich eksperymentów był pomiar przesunięcia światła gwiazd podczas zaćmienia Słońca, który potwierdził przewidywania Einsteina na temat krzywizny przestrzeni w pobliżu dużych mas. Światło to bowiem wygięło się tak, jak się spodziewano. To było naprawdę coś!

Ogólna teoria względności zapoczątkowała okres dynamicznego rozwoju fizyki i odkryć, które doprowadziły ostatecznie do stworzenia nowej teorii – mechaniki kwantowej. Kiedy opowieść o sile grawitacyjnej zaczęliśmy składać już w całość, a niektórzy z pełnym przekonaniem ogłaszali, że fizyka dobiega końca (znowu) i niewiele pozostało już w niej do zrobienia, zaczęliśmy dla odmiany zauważać luki w naszym rozumieniu świata mikroskopowego. Jednym z niepasujących elementów układanki był problem ciała doskonale czarnego, nazywany też czasami katastrofą w nadfiolecie. Ciało doskonale czarne to fundamentalny dla fizyki, choć tylko hipotetyczny, idealny obiekt pochłaniający całe padające na niego promieniowanie elektromagnetyczne. Pożeracz światła, który ani nie odbija, ani nie przepuszcza niczego, co na niego pada. Chociaż ciało doskonale czarne nie istnieje w naturze, to za całkiem niezły model może robić pudełko z niewielkim otworem, które od środka umazane jest sadzą. Teorie klasyczne twierdziły, że ciało doskonale czarne ma emitować nieskończoną ilość energii w zakresie promieniowania elektromagnetycznego o bardzo krótkich długościach fali, czyli w obszarze nadfioletu. Promieniowanie elektromagnetyczne bowiem to fale energii, które podróżują przez przestrzeń i mogą być widzialne (przez nas, oczywiście), tak jak światło, lub niewidzialne, tak jak fale radiowe, mikrofale, promienie X. Każda taka fala charakteryzuje się długością fali (odległością między jej szczytami). Widmo elektromagnetyczne przedstawia zakres wszystkich możliwych długości fal, od bardzo krótkich, takich jak promienie gamma, do bardzo długich, takich jak fale radiowe.

Rys. Widmo fal elektromagnetycznych.

A więc nieskończoną ilość energii… Coś tu się nie zgadza. Oznaczałoby to, że ciało doskonale czarne jest niestabilne i powinno po prostu eksplodować. W praktyce żadnych eksplozji jednak nie było, a zdrowy rozsądek mówił, że coś tu się nie zgadza i dotychczas uznawane modele klasyczne nie dawały sobie po prostu rady z wyjaśnieniem tego zjawiska. Ta katastrofa stała się impulsem do poszukiwań nowej teorii fizycznej. W końcu fizyk Max Planck, żeby prawidłowo opisać ciało doskonale czarne, wprowadził do fizyki pojęcie energii kwantowanej, czyli takiej, która przyjmuje tylko określone, dyskretne wartości. Zgodnie z tą teorią energia emitowana przez ciało doskonale czarne w nadfiolecie jest właśnie skwantowana i zależy od temperatury ciała. Wraz ze wzrostem temperatury ciała doskonale czarnego energia emitowana w nadfiolecie wzrasta, ale zawsze pozostaje skończona. W opowieści o świecie pojawiły się więc kwanty, które trochę zdziwiły naukowców, wcześniej bowiem myśleli oni o materii jako o czymś ciągłym, i to nowe, nieco abstrakcyjne założenie, że świat subatomowy podawany jest w rzeczywistości w niewielkich porcjach, nazywanych kwantami, wywołało prawdziwą rewolucję. Z jej następstwami trudno było się pogodzić nawet samym współtwórcom mechaniki kwantowej.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ WERSJI

1 Cyt. za: Robert J. Pranger, Defense Implications of International Indeterminacy, American Enterprise Institute for Public Policy Research, Waszyngton 1972, s. 11; Steve Giles (red.), Theorizing Modernism: Essays in Critical Theory, Routledge, Londyn–Nowy Jork 1993, s. 28.