W poszukiwaniu kota Schrödingera realizm w fizyce kwantowej (, ) - PDF
Preview W poszukiwaniu kota Schrödingera realizm w fizyce kwantowej (, ) -
Znakomite 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
The list of books you might like
