Table Of ContentZnakomite wprowadzenie w dziwny świat kwantów - niezbędny element zrozumienia otaczającej rzeczywistości.
Teoria kwantowa jest tak szokująca, że sam Einstein nie potrafił jej zaakceptować, i tak ważna, że stanowi podstawę
całej współczesnej nauki. Bez tej teorii nie mielibyśmy ani komputerów, ani biologii molekularnej, ani odkrycia DNA, ani
inżynierii genetycznej. W poszukiwaniu kota Schrödingera to opowieść o mechanice kwantowej -prawdziwa historia,
choć dziwniejsza niż niejedna bajka. Autor prowadzi nas, krok po kroku, przez ten fascynujący świat, a jedyne, czego
oczekuje od czytelnika, to otwarty umysł. Przedstawia naukowców, którzy stworzyli teorię kwantową, opisuje atom,
promieniowanie, podróże w czasie, powstanie wszechświata, nadprzewodnictwo i zagadkę życia. W świecie pełnym
cudownych zjawisk, tajemnic i niespodzianek szukając kwantowej rzeczywistości - kota Schrödingera - pomaga
czytelnikowi poznać najważniejszą dziedzinę współczesnej nauki - fizykę kwantową.
1
W poszukiwaniu kota Schrödingera
John Gribbin
W poszukiwaniu kota
Schrödingera
Realizm w fizyce kwantowej
Przekład Jacek Bieroń
Tytuł oryginału In Search of Schrödinger's Cat. Quantum Physics Reality
Konsultacja merytoryczna
prof. dr hab. Wojciech Gawlik
Uniwersytet Jagielloński w Krakowie
2
Nie podoba mi się to i żałuję, że kiedykolwiek miałem z tym do czynienia.
ERWIN SCHRÖDINGER
1887-1961
Nic nie jest realne.
JOHN LENNON
1940-1980
3
Spis treści
Podziękowania
Wstęp
Prolog. Nic nie jest rzeczywiste
CZĘŚĆ PIERWSZA KWANT
Rozdział pierwszy: Światło
Fale czy cząstki?
Triumf teorii falowej
Rozdział drugi: Atomy
Atomy dziewiętnastowieczne
Atomy Einsteina
Elektrony
Jony
Promienie X
Radioaktywność
Wnętrze atomu
Rozdział trzeci: Światło i atom
Zagadka ciała doskonale czarnego
Niechciana rewolucja
Co to jest hi
Einstein, światło i kwanty
Rozdział czwarty: Atom Bohra
Skaczące elektrony
Wodór wyjaśniony
Rola przypadku. Czy Bóg gra w kości?
Atomy w perspektywie
Chemia wyjaśniona
CZĘŚĆ DRUGA MECHANIKA KWANTOWA
Rozdział piąty: Fotony i elektrony
Cząstki światła
Dualizm falowo-korpuskularny
Fale elektronowe
Rozstanie z przeszłością
Zakaz Pauliego
Co dalej?
Rozdział szósty: Macierze i fale
Odkrycie na wyspie Heligoland
4
Matematyka kwantowa
Teoria Schrödingera
Krok wstecz
Kwantowa książka kucharska
Rozdział siódmy: Kuchnia kwantowa
Antymateria
Wnętrze jądra
Lasery i masery
Potężny mikro
Nadprzewodniki
Życie
CZĘŚĆ TRZECIA I DALEJ
Rozdział ósmy: Przypadek i prawdopodobieństwo
Sens nieoznaczoności
Interpretacja kopenhaska
Eksperyment z dwiema szczelinami
Kolaps funkcji falowej
Reguły komplementarności
Rozdział dziewiąty: Paradoksy i możliwości
Zegar w pudle
Paradoks EPR
Podróże w czasie
Czas u Einsteina
Coś za nic
Kot Schrödingera
Wszechświat współuczestniczący
Rozdział dziesiąty: Koronny dowód
Paradoks spinu
Zagadka polaryzacji
Test Bella
Dowód
Co to oznacza?
Potwierdzenia i zastosowania
Rozdział jedenasty: Wiele światów
Kto obserwuje obserwatorów
Koty Schrödingera
Poza fantastyką
Poza Einsteinem
5
Drugie spojrzenie
Poza Everettem
Nasze specjalne miejsce
Epilog: Nie dokończone sprawy
Skręcona czasoprzestrzeń
Złamana symetria
Supergrawitacja
Czy wszechświat jest fluktuacją próżni
Inflacja i wszechświat
Bibliografia
6
Podziękowania
Moja znajomość z teorią kwantów zaczęła się ponad dwadzieścia lat temu w szkole, gdy
odkryłem, jak model powłokowy w magiczny sposób wyjaśnia strukturę tablicy okresowej
pierwiastków oraz wszystko to, z czym zmagałem się na nudnych lekcjach chemii. Zachęcony tym,
sięgnąłem po książki jakoby „zbyt trudne" i natychmiast zrozumiałem, w jak piękny i prosty sposób
teoria kwantowa objaśnia widma atomowe. Po raz pierwszy w życiu przeżyłem fascynację faktem,
że to, co najlepsze w nauce, jest zarówno piękne, jak i proste. Ten fakt jest przez wielu nauczycieli
świadomie lub nieświadomie ukrywany przed uczniami. Czułem się jak bohater książki C.P. Snowa
Zrywam z nauką - przeczytałem ją zresztą znacznie później - a który odkrywa to samo co ja:
Zobaczyłem, jak kolekcja przypadkowych faktów ustawia się w logiczną całość... „Ależ to piękne -
rzekłem do siebie. - Bardzo piękne. I prawdziwe1 .
Między innymi dlatego zdecydowałem się studiować fizykę na University of Sussex w Brighton.
Jednakże wykłady uniwersyteckie mają tę właściwość, że piękno i prostota praw fizyki jest
przytłoczona przez ogromną liczbę szczegółów i matematycznych narzędzi przeznaczonych do
rozwiązywania poszczególnych problemów za pomocą równań mechaniki kwantowej, co wydaje
się równie odległe i obce pięknu oraz prostocie, jak pilotowanie Boeinga ma się do latania lotnią.
Aczkolwiek ta pierwsza fascynacja mechaniką kwantową wywarła silny wpływ na przebieg mojej
kariery zawodowej, to przez długi czas pozostawałem poza światem kwantów, bobrując w innych
dziedzinach nauki.
Powróciłem do tych młodzieńczych zainteresowań wskutek swego rodzaju zbiegu okoliczności.
W późnych latach siedemdziesiątych i w początkach lat osiemdziesiątych zaczęły się pojawiać
książki i artykuły z mniejszym lub większym powodzeniem popularyzujące dziwny świat kwantów.
Niektóre z nich były tak skandalicznie odległe od prawdy, że nie umiałem sobie wyobrazić, w jaki
sposób ich lektura mogłaby przybliżyć czytelnikowi piękno i prostotę nauki. Zacząłem rozmyślać o
uporządkowaniu tego. W tym samym czasie przeprowadzono serię eksperymentów, w których
potwierdzono niektóre z najdziwniejszych właściwości mechaniki kwantowej. Wiadomości o tych
odkryciach zapędziły mnie z powrotem do biblioteki, dla odświeżenia znajomości z tymi
osobliwościami. W końcu w któreś święta Bożego Narodzenia zostałem zaproszony do studia
BBC, aby wystąpić w charakterze naukowej przeciwwagi dla Malcolma Muggeridge'a, który
właśnie przeszedł na wiarę katolicką i był głównym bohaterem programu. Sławny nawrócony
powiedział swoje, podkreślając tajemnice objawienia, a następnie zwrócił się do mnie i rzekł: „Oto
mamy przed sobą człowieka, który zna odpowiedzi na wszystkie pytania, a w każdym razie
twierdzi, że je zna". W krótkim czasie, jaki mi pozostał, próbowałem udzielić odpowiedzi w tym
samym tonie, zwracając uwagę, że nauka n i e twierdzi, iż zna wszystkie odpowiedzi, i że to
właśnie religia, a nie nauka, opiera się na absolutnej wierze i przekonaniu, że prawda jest znana.
1 C.P. Snów, Zrywam z nauką, przel. Mieczysław Jarosławski, Wyd. Trzaska, Evert i Michalski, Warszawa
1937.
7
„Ja w nic nie wierzę" - powiedziałem, i właśnie miałem zamiar rozwinąć to stwierdzenie, gdy
nagranie dobiegło końca. Przez cały karnawał byłem witany przez przyjaciół i znajomych tymi
właśnie słowami i spędziłem wiele godzin, tłumacząc, że brak absolutnej wiary nie przeszkadza mi
bynajmniej prowadzić normalnego życia, gdyż wystarczy robocza hipoteza, że Słońce nie zgaśnie
z dnia na dzień. W toku podobnych dyskusji krystalizowały się moje poglądy o realności - lub
nierealności - świata kwantów. Stopniowo doszedłem do przekonania, że mógłbym napisać o tym
książkę. W trakcie pisania testowałem niektóre z bardziej subtelnych argumentów w ramach
mojego regularnego udziału w programie radiowym prowadzonym przez Tomy'ego Vance'a, i
nadawanym przez British Forces Broadcasting Service2. Dociekliwe pytania Toma ujawniły wiele
niedostatków w moich wywodach i pomogły mi lepiej przedstawić moje idee. Głównym źródłem
literatury potrzebnej do przygotowania niniejszej książki była biblioteka Uniwersytetu Sussex, która
zapewne posiada jeden z najlepszych zbiorów dzieł o teorii kwantowej. Wiele z mniej znanych
pozycji odszukała dla mnie Mandy Caplin, z czasopisma „New Scientist", która umie przekonująco
posługiwać się teleksem. Christine Sutton sprostowała niektóre z moich błędnych przekonań z
dziedziny cząstek elementarnych i teorii pola. Moja żona nie tylko zapewniła wsparcie w postaci
badań bibliograficznych i organizacji materiału, ale także wygładziła w moim tekście wiele ostrych
kantów. Jestem wdzięczny profesorowi Rudolfowi Peierlsowi za jego gotowość do wyjaśniania mi
szczegółowo niektórych subtelności związanych z eksperymentem „zegar w pudle" oraz z
paradoksem EPR.
Zatem wszelkie pochwały pod adresem tej książki powinny być skierowane do: autorów „zbyt
trudnych" książek, których tytułów już nie pamiętam, a które znalazłem w bibliotece hrabstwa Kent,
mając lat szesnaście; do niewprawnych „popularyzatorów" i głosicieli idei kwantowych, którzy
przekonali mnie, że mogę to zrobić lepiej; do Malcolma Muggeridge'a i BBC; do biblioteki
Uniwersytetu Sussex; do Tomy'ego Vance'a wraz z British Forces Broadcasting Service; do Mandy
Caplin i Christine Sutton; i do Min. Wszelkie uwagi krytyczne powinny być kierowane oczywiście do
mnie.
lipiec 1983
JOHN GRIBBIN
2 British Forces Broadcasting Service - Radio Brytyjskich Sil Zbrojnych (przyp. tłum.).
8
Wstęp
Gdyby wszystkie książki i publikacje popularyzujące teorię względności ustawić jedna na
drugiej, prawdopodobnie sięgnęłyby od Ziemi do Księżyca. „Każdy wie", że teoria względności
Einsteina jest największym osiągnięciem dwudziestowiecznej nauki i „każdy" jest w błędzie.
Natomiast gdyby wszystkie książki i publikacje popularyzujące teorię kwantową położyć jedna
obok drugiej, być może przykryłyby moje biurko. Nie znaczy to bynajmniej, że nikt poza kręgami
akademickimi nie słyszał o teorii kwantowej. W rzeczy samej jest ona bardzo popularna w
niektórych gronach i wykorzystywana do wyjaśniania takich zjawisk jak telepatia czy wyginanie
łyżeczek na odległość. Jest również bogatym źródłem pomysłów dla wielu autorów literatury
fantastycznonaukowej. Jest także niekiedy identyfikowana z wierzeniami okultystycznymi oraz ze
spostrzeganiem pozazmysłowym - dziedzinami wiedzy, których nikt nie rozumie i z których nie ma
żadnego pożytku.
Niniejsza książka została napisana po to, aby rozwiać uprzedzenia wobec najważniejszej i
najbardziej fundamentalnej dziedziny współczesnej nauki. Książka zawdzięcza swe istnienie
swoistemu zbiegowi okoliczności, który zdarzył się w lecie 1982 roku. Po pierwsze, skończyłem
właśnie pisać inną książkę, Spacewarps [Fałdy przestrzeni], i uznałem, że warto byłoby także
spróbować demistyfikacji drugiej fundamentalnej dziedziny dwudziestowiecznej nauki. Po drugie,
coraz bardziej irytowały mnie nieporozumienia narastające wokół teorii kwantowej. Znakomita
książka Fritjofa Capry, Tao fizyki, znalazła wielu naśladowców, którzy nie rozumieli ani fizyki, ani
tao, ale wyczuli, że na połączeniu zachodniej nauki z filozofią Wschodu można zarobić. Po trzecie,
w sierpniu 1982 roku nadeszły wieści z Paryża, gdzie udało się wykonać kluczowy eksperyment
potwierdzający słuszność jednego z podstawowych założeń mechaniki kwantowej.
Czytelnik nie znajdzie w tej książce „wschodniego mistycyzmu", łamania łyżeczek ani
pozazmysłowego spostrzegania. Znajdzie prawdę o mechanice kwantowej, prawdę daleko
dziwniejszą niż jakakolwiek fikcja. Współczesna nauka jest sama w sobie pełna cudownych
zjawisk, tajemnic i niespodzianek, toteż nie musi się stroić w znoszone fatałaszki obcych filozofii.
Próbując odpowiedzieć na pytanie „Co jest rzeczywiste?", nauka udziela zaskakującej odpowiedzi.
Czytelnik może nie dać wiary tej odpowiedzi, ale zorientuje się, jak współczesna nauka widzi świat.
9
Prolog
Nic nie jest rzeczywiste
Tytułowy kot jest oczywiście istotą fikcyjną. Jednak Erwin Schrödinger był istotą z krwi i kości,
austriackim naukowcem, jednym z twórców dziedziny fizyki, zwanej obecnie mechaniką kwantową.
„Dziedzina fizyki" to określenie mało adekwatne, ponieważ mechanika kwantowa jest
fundamentem całej współczesnej nauki. Równania mechaniki kwantowej opisują zachowanie
bardzo małych obiektów - atomów lub jeszcze mniejszych. Co więcej, tylko równania mechaniki
kwantowej mogą poprawnie opisać świat bardzo małych obiektów. Bez tych równań fizycy nie
potrafiliby zaprojektować elektrowni (lub bomby) atomowej, lasera ani wyjaśnić, dlaczego Słońce
świeci. Bez tych równań chemia znajdowałaby się wciąż na poziomie średniowiecza, nie byłoby ani
biologii molekularnej, ani odkrycia struktury DNA, ani inżynierii genetycznej.
Teoria kwantowa jest największym osiągnięciem nauki, daleko istotniejszym i o daleko
ważniejszych praktycznych konsekwencjach niż teoria względności. Jednakże świat kwantów jest
tak dziwny, że nawet Albert Einstein nie zaakceptował niektórych przewidywań teorii stworzonej
przez Schrödingera i jego kolegów. Einstein, podobnie jak wielu innych uczonych, wolał przyjąć, że
równania mechaniki kwantowej stanowią jedynie pewnego rodzaju matematyczny chwyt, który
wprawdzie doskonale się nadaje do opisu atomowych i subatomowych cząstek, ale w istocie
ukrywa jakąś głębszą prawdę, która jest bardziej zbliżona do naszego codziennego poczucia
rzeczywistości. Rzeczywiście mechanika kwantowa mówi, że nic nie jest rzeczywiste i nie zdołamy
powiedzieć, co cząstka robi, jeśli na nią nie patrzymy. Kot Schrödingera został stworzony po to,
aby uzmysłowić różnicę między naszym wyobrażeniem o świecie a światem kwantów.
W świecie kwantów nie działają prawa fizyki znane z codziennego doświadczenia. Zdarzeniami
rządzą prawdopodobieństwa. Radioaktywny atom może się rozpaść, emitując, powiedzmy,
elektron, ale równie dobrze może pozostać radioaktywny. Można skonstruować eksperyment, w
którym jeden z atomów w radioaktywnej próbce ma pięćdziesiąt procent szans na rozpad w
pewnym przedziale czasowym, a odpowiednio ustawiony detektor zarejestruje ten fakt.
Schrödinger, podobnie jak Einstein niezadowolony z konsekwencji stworzonej przez siebie teorii,
próbował ukazać absurdalność tych konsekwencji, wymyślając eksperyment, w którym detektor
jest sprzężony z fiolką zawierającą truciznę, a cała aparatura zamknięta w pokoju lub w pudle,
wraz z żywym kotem. Detektor jest tak ustawiony, że rozpad atomu powoduje rozbicie fiolki, a
uwolniona w ten sposób trucizna zabija kota. Nasze codzienne doświadczenie mówi nam, że kot
ma pięćdziesiąt procent szans na przeżycie i bez zaglądania do pudła możemy spokojnie
powiedzieć, że kot jest albo żywy, albo martwy. I tu natrafiamy na dziwne właściwości świata
kwantów. Zgodnie z teorią kwantową żadna z dwóch możliwości nie jest realna, dopóki nie
zostanie zaobserwowana. Radioaktywny rozpad ani się zdarzył, ani się nie zdarzył, kot nie jest ani
żywy, ani martwy, dopóki nie zajrzymy do środka i nie zobaczymy, co się stało. Teoretycy
10
