Że nauka polega na poszukiwaniu prawdy to truizm, ale użyteczny w edukacji początkowej. Nauka poszukuje obrazu rzeczywistości, a kilka tysięcy lat dociekań filozoficznych nie doprowadziło do ostatecznej konstatacji, czy to będzie sama rzeczywistość, czy (jedynie) jej obraz. Nauka buduje teorie. Bieda w tym, że większość z nas rozumie to słowo potocznie. Z naukowym jego użyciem potoczne rozumienie, czyli „domysł” lub „intuicja” (w nauce mówi się w takim przypadku o hipotezie), nie ma nic wspólnego. Teoria to najwięcej, co prawdziwa nauka może nam dać. Jest to tworzony przez większych i mniejszych geniuszy wyidealizowany model jakiegoś konkretnego wycinka rzeczywistości.

Nauka lubi – od czasów, gdy w XVII wieku sformułowano pojęcie „brzytwy Ockhama” – aby teorie były proste, klarowne i domknięte. Aby dawały możliwie daleko posuniętą pewność, jak konkretnie działa rzeczywistość i pozwalały przewidywać jej zmiany. W fizyce – nauce zajmującej się odpowiedzią na pytanie: z czego jest zbudowany i jak działa Wszechświat – postulat ten oznacza, że jesteśmy w stanie w oparciu o konkretną teorię dokładnie określić, gdzie w danym momencie coś konkretnego się znajduje.

Dzięki mechanice klasycznej Newtona przez ponad 200 lat żyliśmy w świecie, gdzie jabłka na pewno spadają, księżyc krąży wokół niebieskiego globu, powodując pływy mórz, a dwa pociągi jadące z przeciwnych kierunków po jednym torze muszą się zderzyć. Był to nasz, makroskopowy, bliski nam, widzialny, dający się dotknąć i zobaczyć gołym okiem świat.

Był świat, dobry świat

Z czasem okazało się, że kosmos jest pełen tajemniczych dziur zwanych czarnymi, gdzie to, co wiemy, niejako się zawiesza. Z drugiej zaś strony istnieje świat subatomowy, w którym dzieją się rzeczy nie mniej dziwaczne, opisywane przez teorię kwantową. Kłopot dzisiejszej fizyki polega na tym, że oba te światy trudno spiąć w jeden. Oznacza to, że fizyka będzie miała co robić przez kolejne stulecia, choć ze wszystkich nauk jest najstarsza i może się pochwalić największą liczbą uogólnień.

Co do mechaniki kwantowej, zaczęło się od tego, że w grudniu 1900 roku Max Planck opublikował pracę, w której pojawiło się pojęcie „kwant energii”. Teoria kwantowa mówi, że energia wbrew pozorom nie przypomina strumienia wody, tylko niejako zbiór pojedynczych kropel. Energia przepływa w maleńkich porcjach – czyli kwantach. Następnie geniusze pokroju Alberta Einsteina (zaproponował kwanty światła, zwane dziś fotonami), Nielsa Bohra (stworzył kwantowy model atomu) i Erwina Schrödingera (na jego równaniu się to wszystko dalej oparło) oraz ich koledzy po fachu, uczniowie i następcy rozwijali teorię – to się dziś nazywa „rewolucja kwantowa 1.0”.

Długo uważano – i była to opinia samego Einsteina, a nie jakichś ignorantów – że jest to teoria niedoskonała. Nie pozwala bowiem przewidzieć z całą pewnością gdzie, co i kiedy się znajduje. Najłatwiej to wyjaśnić na modelowym atomie wodoru. Maksymalnie upraszczając, to jądro z jednym protonem i samotny elektron krążący wokół owego jądra. Nie da się z całkowitą pewnością przewidzieć, gdzie dokładnie w danym momencie ów elektron się znajduje.

Mechanika kwantowa daje nam jedynie prawdopodobieństwo jego znalezienia tu bądź ówdzie. Większe lub mniejsze – zatem da się za pomocą skomplikowanych równań ustalić, gdzie ono jest większe, a gdzie mniejsze (to tzw. rozkład prawdopodobieństw), ale nigdy – że stuprocentowe lub żadne. Zanim zatem zmierzymy wielkość kwantową, nie znamy jej wartości. Do żadnego prostego wzoru się tu nic nie wprowadzi i na pewno nie obliczy, jak w przypadku przyspieszenia wózka na równi pochyłej w szkolnym zadaniu z fizyki.

Mimo, że teoria kwantowa nie jest teorią wszystkiego i niewiele nam mówi np. „o obrotach ciał niebieskich”, czy co dzieje się we wspomnianych czarnych dziurach, to jeśli owe pociągi pędzące wprost na siebie z miast A i B potraktować kwantowo (a przy coraz lepszych komputerach, nomen omen kwantowych, coraz lepiej dałoby się to zrobić w przyszłości), to ta sama niepewność dotyczy wszystkiego.

W co gra Bóg?

Zasadniczy problem, jaki Einstein miał z mechaniką kwantową, został nieźle oddany w anegdotycznej dziś – niczym „kot Schrödingera” – jego rozmowie z Bohrem sprzed 100 lat. Streszczają ją dla nas przekonanie Einsteina, że „Bóg nie gra z nami w kości” i odpowiedź Bohra, żeby Einstein przestał mówić Bogu, co ma robić.

Znacznie bardziej naukowo rzecz została ujęta w tzw. paradoksie EPR (od nazwisk Einsteina, Borysa Podolskiego i Nathana Rosena, którzy go zaproponowali w 1935 roku). Paradoks wynika z tego, że szczególna teoria względności uniemożliwia jednoczesne przekazywanie informacji i oddziaływań z prędkością większą od prędkości światła w próżni (słynnego c, z równania E=mc²). Co jednak uczynić z modnie dziś nazywanymi stanami splątanymi par cząstek – np. splątanymi fotonami? Są one ze sobą, upraszczając, skorelowane, więc obserwujemy pomiędzy nimi pewnego rodzaju oddziaływanie, rozchodzące się natychmiastowo na bardzo duże odległości.

Działa to tak, że jeśli w czasie zmniejszania swojego wzbudzenia pewien atom wysyła dwa fotony (splątane!), to jeden foton ma polaryzację dokładnie przeciwną do drugiego. Tak wiec, gdy polski fizyk w swym laboratorium mierzy polaryzację jednego z tych fotonów, to wie W TEJ SAMEJ CHWILI, jaka jest polaryzacja fotonu z tej pary mierzona przez kolegę w USA. Niestety wiedzę tę może przekazać do USA tylko z prędkością światła, czyli za późno.

Kwantowe podwiązki

Trudno sobie wyobrazić? Z pomocą przychodzi dr hab. Ernest Aleksy Bartnik, fizyk teoretyk, profesor Uniwersytetu Warszawskiego, który na wykładach na ten temat opowiada następującą frywolną historyjkę: Kowalski wraca do swojego domu w Warszawie, z którego jego żona wyjechała odwiedzić ciotkę do Krakowa. Zagląda do jej bieliźniarki w poszukiwaniu zakamuflowanej gotówki, by stwierdzić, że brakuje tam kompletu seksownej bielizny. W tymże samym dokładnie momencie wie, że żona go zdradza, bez udawania się czy telefonowania z prędkością światła do Krakowa, aby to ustalić.

Po tej przyjemnej (aczkolwiek nie dla Kowalskiego) dygresji, trzeba spróbować podsumować rzecz poważnie. Eksperyment myślowy trójki EPR postulował, że zmienne kwantowe muszą mieć ustaloną wartość przed pomiarem, tylko my nie znamy wszystkich parametrów, więc nie jesteśmy w stanie ich śledzić i podać ową wartości przed jej pomiarem – przewidzieć jej. Gdybyśmy owe tajemne parametry poznali, umielibyśmy bez wątpienia precyzyjnie przewidywać, co się stanie. Skoro nie jesteśmy, czas zakasać rękawy i szukać owych niepoznanych jeszcze parametrów. Wtedy z chaosu, z rozkładów prawdopodobieństw, pojawią się na horyzoncie pewne, przewidywalne wartości. A teoria kwantowa osiągnie pełnię (ewentualnie upadnie z hukiem). Paradoks ten – i z mocą to trzeba powiedzieć – przeprowadził klasyczną redukcję mechaniki kwantowej ad absurdum.

Tu pojawia się w tymże samym 1935 roku praca Grette Hermann i jako pierwsza pokazuje, jak się zabrać do pokazania, w jaki sposób przewidywania mechaniki kwantowej różnią się od klasycznej intuicji. Niestety, spotyka ją los wielu uczonych, których wiekopomne prace nie zostają zauważone w momencie publikacji, nie mają oni bowiem bądź to nazwiska, bądź to nie publikują w periodyku, który jest czytany. Bądź są ponadto, jak się wydaje w tym przypadku, ofiarą czasów, gdy Kopernik jeszcze nie była kobietą, a jedna Maria Skłodowska- Curie nie czyniła wiosny. I ponownie ich się odkrywa po dekadach, głównie dlatego, że ktoś wreszcie wpadł na to samo, a miał więcej szczęścia. Taki los spotkał twórcę genetyki Gregora Mendla, taki spotkał i Grette Hermann.

Człowiekiem, który dopiero długo po II wojnie światowej zajął się w swym doktoracie problemem paradoksu EPR, nie znając pracy Hermann, i doprowadził go do szczęśliwego końca był John Bell. Co oznacza, że gdyby przedwcześnie nie umarł w roku 1990, to 4 października 2022 rano ktoś by dzwonił, żeby poinformować tego Irlandczyka z Belfastu, że dostał właśnie Nobla z fizyki. Wymyślił on stosowne twierdzenie i zaproponował niezbędne ograniczenie (nierówność), które musiałoby zostać przekroczone, by dowieść, że „fizyka kwantowa rulez”. Trzeba to zrobić w trakcie eksperymentu z owymi splątanymi fotonami, no bo o nich coś tam się daje założyć sensownie, co nam ogranicza liczbę możliwych teoretycznie rozwiązań.

Kiedy zderzą się pociągi?

Przepraszam za naiwne porównanie, ale to jest trochę tak, że w świecie kwantowym twierdzenie Bella daje szansę, by fotony zachowywały się jak owe newtonowskie pociągi jadące na siebie z miast A i B. Może nie jest to sytuacja równania, które pozwala jednoznacznie policzyć, gdzie one się zderzą, ale sytuacja nierówności, która mówi, że nie powinno to nastąpić dalej niż… na ich trasie. Te nierówności gwarantują konkretny maksymalny wynik, nawet jeśli owe magiczne nieznane parametry nie są śledzone, więc nie możemy ich uwzględnić w obliczeniach. Genialne, tylko… Jak to udowodnić? Jak zaprojektować doświadczenie na fotonach splątanych, aby było wykonalne, a nieunikniony, a zatem precyzyjnie liczony błąd pomiarowy nie był za duży? Jest jak w „Teorii wielkiego podrywu”. Gdyby fizycy eksperymentalni nie potwierdzili (niechcąco) teorii Sheldona Coopera, nie dostałby Nobla z fizyki za superasymetrię. Samo odkrycie fizyka teoretycznego nie wystarczy.

Zatem Bell niestety nie dostał tegorocznego Nobla z fizyki, bo zmarł 32 lata temu, ale otrzymali go dwaj ludzie, którzy eksperymentalnie, niezależnie od siebie przyszpilili nierówności Bella. Wykazali ich naruszenie, a zatem dosłownie złapali fizykę kwantową za rękę, gdy działała. Są to Amerykanin John F. Clauser (ale uzyskany przez niego błąd pomiarowy był nieco za duży) oraz Francuz Alain Aspect, który pokazał rzecz perfekcyjnie. Austriak Anton Zeilinger został do nich dołączony jako ktoś, kto przerobił te eksperymenty dowodzące, że w dyspucie Einsteina i Bohra racje miał Bohr, na praktyczne zastosowania. A te już dziś rozpalają nasze umysły, jak kryptografia kwantowa, która stanie się niezbędna bankom, korporacjom i armiom, gdy komputery kwantowe z poziomu „eksperyment” (Googla, Microsoftu, USA czy Chin) przejdą do poziomu „wdrażana na poważnie technologiczna innowacja”.

Wspomniany francuski uczony swoimi eksperymentami naruszył nierówności Bella tak dokładnie, że w istocie przybił mechanikę kwantową do naszego pojmowania rzeczywistości niczym Luter swoje tezy do drzwi w przedsionku kościoła zamkowego w Wittenberdze. Podczas konferencji prasowej na jego rodzimym Uniwersytecie Paris-Sacly, zwołanej po otrzymaniu Nagrody Nobla (transmitował ją Reuters, a oglądało na żywo… jedynie 69 osób), opowiedział o swoim czytaniu Bella. Według prof. Aspecta praca Bella była tak klarowna, świetnie i wciągająco napisana, że obmyślenie eksperymentu nie było jakąś wyłączną zasługą jego własną, ani wielkim wyczynem.

Sumując, jak by to ujął św. Tomasz z Akwinu: powiadają, że Nobel z fizyki za 2022 roku jest za kwantową rewolucją 2.0. Tu istotne są praktyczne zastosowania teorii: kwantowa kryptografia, komputery, cała ta „optyka kwantowa” oparta o splątane fotony i ich przedziwne funkcjonowanie. Pozwalające np. przekazać zaszyfrowaną informację bankową pod pięknym modrym Dunajem na odległość 700 metrów za pomocą światłowodu umieszczonego w rurze ściekowej.

Jednak we mnie kołacze się przekonanie, że jest to Nobel za filozofię. Taką, jaka była zanim nauką zajęli się specjaliści, by pozostawić filozofów bez wpływu na odpowiedzi na zasadnicze pytania o rzeczywistość: jak jest zbudowana i jak działa? Oraz w konsekwencji wynikłe z owych: co my z tego wiemy na pewno? To jest poważny głos w dyskusji o istocie i istnieniu, dlatego jest ważne, by stał się zrozumiały. We współczesnym rozumieniu mechaniki kwantowej, funkcja falowa (opisuje stan kwantowy układu cząstek, czyli owo: co, gdzie, kiedy się PRAWDOPODOBNIE znajduje) jest obiektem informatycznym. To jest nasz stan wiedzy o układzie, a nie własność tego układu.

ODWIEDŹ I POLUB NAS

Mechanika kwantowa – dzięki równaniu Schrödingera i nierównościom Bella – ma nam do zaproponowania pewność niepewności. My zaś nie lubimy niepewności – jest dla większości z nas sytuacją niekomfortową, może nawet powodować lęki, na pewno zaś stresuje. Podejście do niepewności, które mnie ostatnio zafascynowało, opisał w wywiadzie dla Fundacji Noblowskiej inny tegoroczny laureat, tym razem z chemii, Barry Sharpless. Zapytany, co czyni go tak wynalazczym (to już drugi Nobel dla niego, pytanie jest zatem oczywiste) odpowiedział, że on ufa Einsteinowi, który miał kiedyś powiedzieć, że jeśli jakiś pomysł nie jest na pierwszy rzut oka absurdalny, to nie ma dla niego żadnej nadziei. Podstawą zaś jest poszukiwanie niepewności, podążanie tam, gdzie dreszcz emocji. Kto podąża za pewnością i spokojem, nie ma szans wystarczająco często wystarczająco blisko podejść do rzeczywistości.

Cóż – niewykluczone, że właśnie na tym polega potęga mechaniki kwantowej, pociągająca bardzo wielu zdolnych fizyków. Choć nikt nie ukrywa, że wśród uczonych tej specjalności jest bardzo wielu, którzy potrafią wprawdzie równania kwantowe liczyć, ale, jak sami przyznają, mechaniki kwantowej nie rozumieją.

Teoria obejmująca całą rzeczywistość nie istnieje, ale dzięki tegorocznym noblistom z fizyki wiemy, że gdyby udało się ją kiedyś sformułować, będzie musiała zawierać w sobie jedynie owo mniejsze lub większe prawdopodobieństwo, że coś jest gdzieś kiedyś. Tej naturalnie wpisanej w rzeczywistość niepewności możemy być absolutnie pewni. Możemy być też pewni, że podobnie jak Don Pedro Velasquez z „Pamiętnika znalezionego w Saragossie”, nadal być może będziemy umieli oznaczać nieskończoność, ale nie będziemy jej pojmować. I jest w tym tylko pozorna sprzeczność.

– Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy

Dziękuję fizykom teoretykom dr hab. Ernestowi Aleksemu Bartnikowi – profesorowi na Wydziale Fizyki UW, dr hab. Krzysztofowi Pawłowskiemu – profesorowi w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i prof. dr. hab. Kazimierzowi Rzążewskiemu, również z CFT PAN, za pasjonujące rozmowy, dzięki którym w sposób dla mnie bardzo przyjemny poznałam coś, o czym nie miałam wcześniej pojęcia i dzięki którym mógł w ogóle powstać ten tekst.

Rozmowy:
https://www.youtube.com/watch?v=9LkuWtMArcU&list=PLgItcKew0VyxU84Lv9DdhWY1WUv0hgE8O&index=4
https://www.youtube.com/watch?v=yspAhjevwVk&list=PLgItcKew0VyxU84Lv9DdhWY1WUv0hgE8O&index=5
https://www.youtube.com/watch?v=Z4mJe6mztfk&list=PLgItcKew0VyxU84Lv9DdhWY1WUv0hgE8O&index=6