Naukowcy mają światopogląd. Nie jest to zbyt zaskakujące, biorąc pod uwagę, że są ludźmi, a ludzie mają światopogląd. Masz swój sposób myślenia o polityce, religii, nauce i przyszłości, a ten sposób myślenia wpływa na to, jak poruszasz się po świecie i jakich wyborów dokonujesz.

Często mówi się, że poznaje się czyjeś prawdziwe oblicze, widząc, jak reaguje na zagrożenie. Zagrożenie to może być różnego rodzaju, od włamania do twojego domu, po intelektualne zagrożenie przeciwko twojemu systemowi przekonań. W ostatnich tygodniach badaliśmy, jak fizyka kwantowa zmieniła świat, przyglądając się jej wczesnej historii i dziwnemu nowemu światu nieoczekiwanych praw i zasad, które dyktują, co dzieje się na poziomie cząsteczek i mniejszych składników materialnych. Dziś przyglądamy się, jak ta nowa nauka wpłynęła na światopogląd niektórych jej twórców, zwłaszcza Alberta Einsteina i Erwina Schrödingera. Stawką dla tych fizyków było nic innego jak prawdziwa natura rzeczywistości.

Utrata znaczenia

W liście do Schrödingera z grudnia 1950 roku Einstein napisał:

„Jeśli ktoś chce uważać teorię kwantową za ostateczną (co do zasady), to musi wierzyć, że pełniejszy opis byłby bezużyteczny, ponieważ nie byłoby dla niej żadnych praw. Gdyby tak było, fizyka mogłaby interesować jedynie sklepikarzy i inżynierów; cała sprawa byłaby jedną nędzną partią.

Einstein do końca życia nie mógł pogodzić się z nowym światopoglądem wywodzącym się z fizyki kwantowej — tym zestawem przekonań, które w gruncie rzeczy mówiły nam, że rzeczywistość jest dla nas ludzi tylko częściowo poznawalna, a sam rdzeń natury jest ukryte przed naszymi zdolnościami rozumowania. Wernera Heisenberga Zasada nieoznaczoności przypieczętował los fizyki deterministycznej. W przeciwieństwie do spadającego kamienia czy planety krążącej wokół gwiazdy, w świecie kwantowym znamy tylko początek i koniec historii. Wszystko pomiędzy jest niepoznawalne.

Fizyk Richard Feynman stworzył piękny sposób wyrażenia tego dziwacznego faktu Całkowe podejście do fizyki kwantowej. W sformułowaniu Feynmana, aby obliczyć prawdopodobieństwo, że cząstka zacznie się tutaj i skończy tam, należy zsumować wszystkie dostępne ścieżki, którymi może podążać do tego celu. Każda ścieżka jest możliwa i każda ma prawdopodobieństwo bycia tą jedyną. Ale w przeciwieństwie do spadającej skały lub planety krążącej wokół gwiazdy, nie możemy wiedzieć, jaką drogę obiera cząstka. Samo pojęcie ścieżki między dwoma punktami traci sens.

Einstein by tego nie miał. Dla niego natura musiała być racjonalna, co oznaczało, że musiała nadawać się do sensownego opisu. Mówiąc sensownie, miał na myśli to, że obiekt podążał za prostym zachowaniem przyczynowym podyktowanym przez deterministyczną ewolucję. Uważał, że w fizyce kwantowej brakuje czegoś istotnego i znalezienie czegoś, co przywróci fizyce zdrowy rozsądek.

Tak więc w 1935 roku wraz z kolegami Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem — wspólnie stali się znani jako EPR — Einstein opublikował artykuł, w którym próbował ujawnić absurdy mechaniki kwantowej. Tytuł mówi wszystko: „Czy kwantowo-mechaniczny opis rzeczywistości fizycznej można uznać za kompletny?”

EPR przyznał, że fizyka kwantowa działa, ponieważ może wyjaśnić wyniki eksperymentów z dużą precyzją. Ich problem dotyczył kompletność kwantowego opisu świata.

Zaproponowali kryterium operacyjne w celu określenia elementów naszej postrzeganej rzeczywistości fizycznej: można ją opisać tylko za pomocą tych wielkości fizycznych, które można przewidzieć z pewnością (prawdopodobieństwo jednego) i bez zakłócania systemu. Oznacza to, że powinna istnieć fizyczna rzeczywistość, która jest całkowicie niezależna od tego, jak ją badamy. Na przykład twój wzrost i waga są elementami fizycznej rzeczywistości. Można je zmierzyć z pewnością, przynajmniej w zakresie precyzji urządzenia pomiarowego. Można je również mierzyć jednocześnie, przynajmniej w zasadzie, bez wzajemnej interferencji. Podczas pomiaru wzrostu nie tyjesz ani nie chudniesz.

Kiedy dominują efekty kwantowe, ta czysta niezależność nie jest możliwa dla pewnych bardzo ważnych par wielkości, jak to wyraża zasada nieoznaczoności Heisenberga. EPR odrzucił to. Nie mogli zaakceptować faktu, że akt pomiaru podważa pojęcie rzeczywistości niezależnej od obserwatora. Akt pomiaru tworzy rzeczywistość, w której cząstka znajduje się w określonym miejscu w przestrzeni, zgodnie z mechaniką kwantową, ale EPR uznał ten pomysł za absurdalny. Upierali się, że to, co jest prawdziwe, nie może zależeć od tego, kto lub co patrzy.

Aby zilustrować swój punkt widzenia, EPR rozważał parę identycznych cząstek, powiedzmy A i B, poruszających się z tą samą prędkością, ale w przeciwnych kierunkach. Fizyczne właściwości cząstek zostały ustalone, gdy oddziaływały przez pewien czas, zanim odleciały od siebie. Załóżmy, że detektor mierzy położenie cząstki A. Ponieważ cząstki mają takie same prędkości, wiemy również, gdzie znajduje się cząstka B. Jeśli detektor mierzy teraz prędkość cząstki B w tym miejscu, znamy zarówno jej położenie, jak i prędkość. Wydawało się to kolidować z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, ponieważ najwyraźniej uzyskano jednocześnie informacje o położeniu i prędkości cząstki. Co więcej, znamy właściwość cząstki (położenie B) bez jej obserwacji. Zgodnie z definicją EPR właściwość ta jest wtedy częścią rzeczywistości fizycznej, nawet jeśli fizyka kwantowa upiera się, że nie mogliśmy jej poznać, zanim ją zmierzymy. Oczywiście, argumentował EPR, mechanika kwantowa musi być niekompletną teorią rzeczywistości fizycznej. EPR zamknęło swój artykuł, mając nadzieję, że lepsza (pełniejsza) teoria przywróci realizm fizyce.

Niels Bohr, orędownik światopoglądu, że fizyka kwantowa jest dziwna i to jest w porządku, odpowiedział w ciągu sześciu tygodni. Bohr przywołał swoje pojęcie komplementarność, który twierdzi, że w świecie kwantowym nie możemy oddzielić tego, co jest wykrywane, od detektora. Oddziaływanie cząstki z detektorem indukuje niepewność w cząstce, ale także w detektorze, ponieważ są one skorelowane. Akt pomiaru ustala zatem mierzoną właściwość cząstki w nieprzewidywalny sposób. Przed pomiarem nie możemy powiedzieć, że cząstka w ogóle miała jakiekolwiek właściwości. W takim przypadku nie możemy również przypisać fizycznej rzeczywistości tej właściwości w sensie zdefiniowanym przez EPR.

Jak pisze Bohr,

„Skończona interakcja między obiektem a czynnikami pomiarowymi pociąga za sobą konieczność ostatecznego wyrzeczenia się klasycznego ideału przyczynowości i radykalnej rewizji naszego stosunku do problemu rzeczywistości fizycznej. Zasadniczo cząstka nabywa konkretną właściwość, taką jak położenie lub pęd, tylko w wyniku interakcji z urządzeniem pomiarowym. Przed pomiarem nie możemy nic powiedzieć o tej cząstce. Nie możemy więc nic powiedzieć o fizycznej rzeczywistości cząstki, zanim nie wejdzie ona z czymś w interakcję”.

Kwantowy duch Einsteina

Einstein chciał rzeczywistości, która byłaby poznawalna aż do poziomu kwantowego. Bohr upierał się, że nie ma powodu, aby tego oczekiwać. Dlaczego bardzo mały świat miałby podlegać podobnym zasadom jak świat, do którego jesteśmy przyzwyczajeni? Schrödinger był jednak również zdenerwowany. W odpowiedzi na artykuł Bohra napisał własny, w którym przedstawił swojego słynnego kota, którego wkrótce poznamy.

Subskrybuj sprzeczne z intuicją, zaskakujące i wpływowe historie dostarczane do Twojej skrzynki odbiorczej w każdy czwartek

Brakującym elementem łączącym tutaj kropki jest pojęcie splątanie, kluczowe pojęcie w fizyce kwantowej. To dość trudny pomysł do przełknięcia, stwierdzając, że dwa lub więcej obiektów można połączyć lub splątać w sposób, który przeciwstawia się przestrzeni i czasowi. W takim przypadku wiedza o jednym przedmiocie z pary powie nam coś o drugim, nawet zanim ktokolwiek go zmierzy. I dzieje się to natychmiast, a przynajmniej szybciej niż światło mogłoby podróżować między nimi. To właśnie Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”. Widzimy, skąd pochodził. Spektakularnie egzorcyzmował działanie w pewnej odległości od newtonowskiej grawitacji, pokazując, że przyciąganie grawitacyjne można wytłumaczyć wynikiem zakrzywionej geometrii czasoprzestrzeni wokół masywnego obiektu. Einstein chciał zrobić to samo z fizyką kwantową. Ale duch kwantowy, jak wiemy, zostanie tutaj. Zobaczymy dlaczego następnym razem.