Wspó?czesna fizyka zachwia?a starym obrazem ?wiata ustanawiaj?c nowe zasady. Dowiod?a, ?e cz?steczki atomowego i subatomowego ?wiata rz?dz? si? prawami przecz?cymi zasadom fizycznym, z którymi spotykamy si? w naszym codziennym ?yciu.


Mikroskopy i lunety jedynie wprowadzaj? w b??d nasz zdrowy rozs?dek.
- Johann Wolfgan von Goethe -

Przed stu laty fizycy wierzyli, ?e maj? ju? ?wiat w gar?ci. A gdzie mogliby lepiej rozprawia? o podstawach nauki, ni? przy grze w bilard? Przy takim samym po?o?eniu pocz?tkowym i identycznym uderzeniu kija, kule l?duj? zawsze w tym samym miejscu - jak w fizycznym eksperymencie. Kule stosuj? si? do zasady przyczynowo?ci: identyczne przyczyny powoduj? identyczne rezultaty.

Kule tocz? si? ci?g?ymi torami i nie skacz? nieobliczalnie to tu, to tam: "Natura non facit saltus" - natura nie czyni skoków.

Gra jest ca?kowicie obiektywna: jej przebieg nie zale?y od tego, czy kto? jej si? przygl?da, mo?e jedynie odrobin? od oklasków publiczno?ci.

Te trzy zasady - przyczynowo??, statyczno?? i obiektywno?? - stanowi? podwaliny klasycznej fizyki XIX-go wieku. Odpowiadaj? one naszemu codziennemu do?wiadczeniu, s? jasne i zrozumia?e - nios? te? ze sob? daleko id?ce konsekwencje. Przecie? prawa mechaniki i elektromagnetyzmu bazuj? w?a?nie na nich. Je?eli s? uniwersalne, to ca?y ?wiat, w??cznie z jego ?yw? cz??ci?, w??cznie ze stoma miliardami komórek nerwowych w ludzkim mózgu, musi dzia?a? jak wielki zegar.

Co prawda wszech?wiat sk?ada si? z wi?kszej ilo?ci cz??ci ni? nasze trzy kule, jednak jest to tylko ilo?ciowa, a nie jako?ciowa ró?nica. Poniewa? atomy, kule bilardowe wszech?wiata, stosuj? si? do zasad gry. Potrafimy pozbawi? swego czaru nawet czyste, bia?e i boskie ?wiat?o sprowadzaj?c je do rangi transmisji fal elektromagnetycznych. W tym modelu nic nie wydarza si? przypadkiem, koniec by? znany ju? od samego pocz?tku, wszystko zosta?o zaplanowane w szczegó?ach, ludzka wolna wola to czysta iluzja - potrzebna w grze wy??cznie dlatego, ?e ludzki umys? w swej ograniczono?ci nie jest w stanie jednocze?nie obj?? wszystkich atomów wszech?wiata. Tylko to stanowi przeszkod? w ostatecznym poznaniu ?wiata. Jednak je?li wyobrazimy sobie jaki? nad-umys? - dzisiaj powiedzieliby?my super-hiper-komputer - to on móg?by, przynajmniej teoretycznie, obj?? i zrozumie? ca?y wszech?wiat.


Umys?, który w jedenj chwili by?by w stanie pozna? wszystkie si?y, które wprawiaj? natur? w ruch oraz po?o?enie wszystkich cia?, z których si? sk?ada, gdyby by? w stanie to wszystko ogarn?? i podda? dalszej analizie ruch najwi?kszych planet i najmniejszych atomów: wtedy nic nie by?oby dla niego niepewne, przysz?o?? i przesz?o?? le?a?aby przed nim jak na d?oni.
- Pierre Simon Marquis de Laplace -

Rzeczywi?cie uniwersalny umys?: nastawia zegarek na rok 2034 i ju? dzisiaj, tak jak astronomowie przepowiadaj? dat? kolejnego za?mienia s?o?ca, tak on by?by w stanie powiedzie? kto w tym roku wygra mistrzostwa ?wiata w pi?ce no?nej. Albo nastawia zegar wstecz na rok 1963 i ostatecznie ko?czy w ten sposób spekulacje co do tego, kto zastrzeli? Johnna F. Kennediego. By?by to naprawd? wszechwiedz?cy umys? - z drugiej strony jednak zupe?nie bezsilny. Wp?yni?cie na ruch trybików przyczyny i skutku nie jest przecie? mo?liwe.

Ten w?a?nie umys? Marquisa Laplace zmar? 14-go grudnia 1900 roku - a wraz z nim poleg?y podwaliny klasycznej fizyki. Tego dnia przed Berli?skim Towarzystwem Fizycznym Max Planck wyg?osi? wyk?ad o promieniowaniu cieplnym tak zwanego czarnego cia?a. Nikt, w??cznie z samym Planckiem, nie przypuszcza?, ?e jego teoria doprowadzi to takiego rozwoju wypadków, ?e po naszych trzech fundamentach klasycznej fizyki - przyczynowo?ci, statyczno?ci i obiektywno?ci - nie zostanie kamie? na kamieniu.

Nikt nie by? w stanie przewidzie? sukcesu, z jakim spotka si? ta teoria. W rzeczywisto?ci obala?a prawie wszystkie modele opisuj?ce si?y dzia?aj?ce w naturze, wyja?nia?a chemi? i tak ró?ne zjawiska jak pochodzenie i budowa j?dra atomu, nadprzewodnictwo, ?wiecenie ryb g??binowych, Wielki Wybuch czy wypalanie si? czarnych dziur. Pod terminem promieniowania cieplnego rozumiemy zjawisko, w którym podgrzana materia zaczyna ?wieci? - najpierw na czerwono, a stopniowo podgrzewana nagle zaczyna ?wieci? na bia?o. Promieniowanie to przeczy wszystkim klasycznym modelom. Wed?ug nich przyrost ilo?ci wyemitowanych promieni cieplnych powinien by? sta?y, zmiana koloru powinna nast?pi? stopniowo. Planck wpad? na genialne rozwi?zanie: wszystko staje si? jasne, je?eli tylko zrezygnujemy z idei ci?g?o?ci i za?o?ymy, ?e energia cieplna przyrasta "po kawa?ku", o pewne nieci?g?e warto?ci, zostaje wyemitowana w formie tak zwanych kwantów energii.

By?y to narodziny teorii kwantowej. Je?eli przedstawimy j? na przyk?adzie sto?u bilardowego, jawi si? nam przed oczami osobliwy widok: je?eli kule to obiekty kwantowe, to mog? one toczy? si? po przestrzeni sto?u tylko z okre?lon? pr?dko?ci? i jej wielokrotno?ciach. Powiedzmy, ?e wynosi ona 5 cm na sekund?. Kule mog? porusza? si? wi?c tylko z tak?, lub z pr?dko?ci? 10, 15, 20... cm na sekund?. Cokolwiek gracz by nie zrobi?, cho?by w?o?y? w uderzenie ca?y swój kunszt i wyrafinowanie, nie uda mu si? nada? kuli pr?dko?ci 6, 13 lub 18 cm na sekund?.


Wszystkie moje próby dopasowania tego zrozumienia do teoretycznych fundamentów fizyki spe?z?y na niczym. By?o to tak, jakby komu? zabra? grunt spod nóg nie zostawiaj?c niczego w zamian, na czy móg?by si? oprze?.
- Albert Einstein -

Sam Albert Einstein by? tym, kto w 1905 roku wyja?niaj?c zjawisko fotoelektryczne, zada? kolejny cios klasycznej fizyce. W do?wiadczeniu tym na?wietlamy kawa?ek metalu ?wiat?em ultrafioletowym. W wyniku tej czynno?ci z powierzchni metalu zostaj? uwolnione elektrony - jest to jawne zaprzeczenie uchodz?cej za niemo?liw? do obalenia teorii o falowej naturze ?wiat?a. Niezrozumia?e by?o na przyk?ad dlaczego energia uwolnionych elektronów nie zale?y od intensywno?ci fali - czyli od jego energii w klasycznym zrozumieniu - lecz od cz?stotliwo?ci ?wiat?a. Einstein nie przejmowa? si? jednak powsta?ymi w?tpliwo?ciami - i rozwin?? hipotez? kwantow? Plancka. Wykaza?, ?e zjawisko fotoelektryczne mo?na ca?kiem prosto wyja?ni?, je?eli przyjmiemy, ?e ?wiat?o sk?ada si? z cz?steczek, tak zwanych kwantów ?wiat?a - fotonów.

By?o to ca?kiem paradoksalne za?o?enie. Zjawiska takie jak dyfrakcja i interferencja ?wiat?a, w których zachowuje si? ono jak fale na powierzchni wody, wzajemnie si? wzmacniaj?c lub os?abiaj?c, s? nie do pogodzenia z wizj? ?wiat?a jako cz?steczki. Jak ?wiat?o wype?niaj?ce ten pokój mo?e równocze?nie by? fal? i cz?steczk??


Kiedy Einstein przys?a? mi telegram z informacj?, ?e w?a?nie znalaz? niezbite dowody na to, ?e ?wiat?o jest cz?steczk?, mog?o si? to wydarzy? wy??cznie dzi?ki temu, ?e ?wiat?o jest fal?.
- Niels Bohr -

Hipoteza Einsteina o naturze ?wiat?a wywróci?a ?wiat fizyków do góry nogami. Wynika?o z niej, ?e ?wiat?o posiada dwojak? natur?. Od tej pory mówimy o dualizmie falowo-cz?steczkowym: czasami ?wiat?o jawi si? nam jako fala i wytwarza interferencje, innym razem jako cz?steczka uwalniaj?ca elektrony w zjawisku fotoelektrycznym - nigdy jednak równocze?nie jako zarówno to jak i to. Rzeczywisto??, jak? przed nami otworzy?o ?wiat?o, jest zale?na od rodzaju przeprowadzanego eksperymentu: nie mo?na wi?c mówi? ju? o obiektywno?ci - o naturze ?wiat?a niezale?nej od obserwatora.

W 1942 roku francuski badacz Louis Victor de Broglie jeszcze bardziej powi?kszy? bezradno?? fizyków swoj? teori?, wed?ug której równie? materia w skali atomowej musi posiada? dwojak? natur?. Jego ?mia?a teza wkrótce zosta?a potwierdzona eksperymentalnie dzi?ki odkryciu mikroskopu elektronowego: równie? elektrony, a nawet ca?e atomy, posiadaj? zarówno falowe i cz?steczkowe w?a?ciwo?ci.


Wiele razy dyskutowali?my z Bohrem do pó?na w nocy i zawsze nasze rozmowy doprowadza?y nas na kraw?d? rozpaczy... za ka?dym razem od nowa zadaje sobie to pytanie: czy natura naprawd? jest a? tak absurdalna, jak wynika?oby to z naszych atomowych eksperymentów.
- Werner Heisenberg -

Fizycy, tacy jak Heisenberg czy Du?czyk Niels Bohr, wkrótce odkryli ?ród?o absurdu. Najwyra?niej w ?wiecie atomów panuj? inne prawa, ni? w naszym codziennym ?wiecie, na podstawie którego obserwacji zbudowali?my swój ?wiatopogl?d i j?zyk. Dylemat fizyków polega teraz na tym, ?e s?owa i terminy ze ?wiata codziennego nie nadaj? si? do opisu mikro-?wiata. Ka?dy eksperyment, ka?da próba zg??bienia mikro-?wiata odbywa si? jednak nieuchronnie w makro-?wiecie, dlatego te? musimy u?ywa? jego terminów i przez to wpadamy w tarapaty. Na przyk?ad kiedy obserwujemy elektrony w komorze mg?owej . Widzimy co prawda tras? cz?stek, nie jest mo?liwe pod??y? dok?adnie ich ?ladem - co?, co przy grze w bilard by?oby banalnym wyzwaniem. Poj?cia takie jak miejsce i pr?dko?? sta?y si? niejasne. To jest w?a?nie s?ynna "zasada nieokre?lono?ci" Heisenberga, esencja nowej fizyki: miejsce i pr?dko?? uzupe?niaj? si? nawzajem - je?eli poznamy dok?adn? pr?dko?? jakiej? cz?steczki, wtedy nie b?dziemy w stanie okre?li? jej po?o?enia i vice versa.


B??dne jest twierdzenie, ?e nieokre?lono?? wynika z zak?ócenia wywo?anego pomiarem.
- Carl Friedrich von Weizsacker -

Nieokre?lono?? wcale nie znaczy, ?e elektron przebywa przed pomiarem w jakim? konkretnym miejscu, a niejasno?? wynika z niedok?adnego przeprowadzenia pomiaru. Nieokre?lono?? to zrozumienie faktu, ?e elektron nie przebywa w ?adnym konkretnym miejscu, ?e chocia? jest cz?steczk?, jest równocze?nie wsz?dzie jak fala.

W prze?o?eniu na makro-?wiat wygl?da to tak: kule majacz? nad sto?em jako czarna i bia?a mg?a, poprzez interferencj? zderzaj?c si? ze sob? rozpuszczaj? si? w nico?? lub kondensuj? w g?stsz? mg??. Musz? jednak by? cz?steczkami, bo gramy przecie? kijem. Kiedy postanowimy ju?, w którym miejscu chcemy wykona? uderzenie, pr?dko?? kuli staje si? ca?kowicie nieznana - odlatuje we wszystkich kierunkach, ze wszystkimi pr?dko?ciami równocze?nie, od zera po pr?dko?? ?wiat?a. Transmisja mistrzostw ?wiata w elektronobilardzie by?aby absolutnie nudna: na ekranie brakuje przynajmniej po?owa kul. Nie zosta?y zarejestrowane, poniewa? dzi?ki porównaniu mogliby?my równocze?nie ustali? miejsce i pr?dko?? kuli. A tego natura nam nie pozwala zrobi?.


Z drugiej strony jestem pewien, ?e tak naprawd? to nikt nie rozumie mechaniki kwantowej.
- Richard Feynman -

Identyczne uderzenie kijem, przy identycznym po?o?eniu wyj?ciowym, rzadko kiedy prowadzi do podobnego wyniku. Przebieg gry nie przypomina pracy zegara, raczej gr? w ko?ci. Tak jak w przypadku rzucania kostk?, tak i tu mo?emy poda? jedynie pewne prawdopodobie?stwo. Nasze przepowiednie mo?emy sprawdzi? dopiero po wielokrotnym powtórzeniu eksperymentu.

Dopiero wyniki eksperymentu decyduj? o tym, jaka informacja z mikro-?wiata przedostanie si? do makro-?wiata i stanie si? rzeczywisto?ci?.

Nikt nie mo?e ju? mówi? o obiektywno?ci czy przyczynowo?ci praw natury. Umys? Laplacego umar?. Nikt nie jest w stanie przewidzie? przysz?o?ci cz?steczki elementarnej.


To jak wszech?wiat b?dzie wygl?da? za pi?? sekund w tej chwili nie jest jeszcze ustalone, w ka?dym b?d? razie nie w pe?ni. Osobi?cie bardziej podoba mi si? ten otwarty pogl?d na wszech?wiat. Jest w pewnym sensie bardziej romantyczny, od starego, zamkni?tego sposobu postrzegania rzeczywisto?ci. Nie jest taki nudny.
- Anton Zeilinger -

Natura okry?a mikro-?wiat zas?on?, któr? fizycy, ze wszystkimi swoimi metodami badawczymi, mog? podnie?? tylko o tyle, na ile pozwala im rachunek prawdopodobie?stwa. Na praktycznym poziomie to wystarcza, by lepiej radzi? sobie z natur?. Zwykle mamy do czynienia z wieloma obiektami kwantowymi - gram uranu zawiera oko?o 10²² atomów. Kiedy wchodzimy w kontakt z wieloma obiektami, tak przynajmniej uczy statystyka, z wielu indywidualnych prawdopodobie?stw wy?ania si? wymierna pewno?? - a wystarczaj?ca przynajmniej do budowy komputerów i elektrowni atomowych. Kiedy tylko jednak fizycy bior? pod lup? poszczególne obiekty kwantowe, tak jak na przyk?ad Anton Zeilinger w Insbucku, zaczynaj? trenowa? swoj? skromno?? - s? dalecy od uwierzenia w to, ?e naprawd? zrozumieli natur?, nie mówi?c ju? o trzymaniu jej w gar?ci.

_______________

¹ Dyfrakcja - ugi?cie si? fal na kraw?dzi przeszkody (albo otworu) powoduj?ce przenikanie ruchu falowego w obr?b cienia geometrycznego, oraz rozpraszanie (np. ?wiat?a, promieni Roentgena) i omijanie przeszkód (np. przez fale radiowe). (przyp. t?um za S?ownik wyrazów obcych, WP W-wa 1972, wyd. VIII).

² Interferencja (superpozycja), nak?adanie si? dwóch (albo wi?cej) fal, prowadz?ce do wzmocnienia, albo os?abienia, fali wypadkowej. (przyp. t?um za S?ownik wyrazów obcych, WP W-wa 1972, wyd. VIII).

³ komora Wilsona.