Czym zajmuje się mechanika kwantowa?

Mechanika kwantowa to jest opis rzeczywistości na mikroskopijnym poziomie, czyli na poziomie w którym operują pojedyncze cząstki. Opisują ją prawa, które są dopasowane do wykonywanych eksperymentów. W zasadzie są to prawa odgadnięte. Nie wiadomo skąd one się biorą. Okazują się bardzo dziwne do tego stopnia, że ich odkrywcy w chwili gdy zorientowali się do czego prowadzą, przestali w nie wierzyć.

Czy jesteśmy ofiarami oszustwa? W szkole pokazują nam atom jako układ planetarny z elektronami krążącymi po orbitach wokół jądra. Jak to wygląda naprawdę?

Przede wszystkim, nie ma powodu by sądzić, że jakakolwiek nasza obecna wiedza jest ostatecznie prawdziwa. Mechanika kwantowa, opisująca rzeczywistość zupełnie inaczej niż model szkolny z kołowymi orbitami, jest fantastycznie zgodna ze wszystkimi eksperymentami, które kiedykolwiek zrobiliśmy. Zgodność sięga czasem dziesięciu miejsc po przecinku. Ale to nie znaczy, że jest to teoria ostateczna. Zapewne, za jakiś czas odkryjemy coś głębszego co wykolei nawet mechanikę kwantową. Fizycy często mówią, że odkrywanie nowych praw to poruszanie się w ciągu coraz lepszych przybliżeń. Poszukujemy pewnych praw opisujących rzeczywistość, których coraz lepszy opis daje coraz większą zgodność z eksperymentami. Prawa newtonowskie przez pewien czas dawały taki opis rzeczywistości. Kiedy poszukiwaliśmy praw rządzących zachowaniem atomów podejrzewaliśmy, że tam jest podobnie. Był to jednak naiwny obraz rzeczywistości. Potem okazało się, że większość używanych pojęć była źle określona. Nie miały sensu. Takie podstawowe pojęcia jak położenie, prędkość, pęd czy energia mają zupełnie inne znaczenie w świecie kwantowym. Patrzenie na świat kwantowy w sposób jakiego używamy codziennie musi być skazane na porażkę. To musi być oszustwo. Elektron znajdujący się pobliżu jądra atomu tak naprawdę jest rozmyty w przestrzeni. W pewnym sensie jest wszędzie naraz.

To jest stan superpozycji?

Tak to się mądrze nazywa. Ma to miejsce wtedy gdy mamy dwa lub więcej alternatywne scenariusze i one dzieją się naraz, jednocześnie. Jeśli mówimy, że elektron znajduje się w superpozycji to mamy do czynienia ze stanem, w którym elektron znajduje się jednocześnie w nieskończenie wielu miejscach naraz.

Możemy je sobie wyobrazić jako mgłę wokół jądra atomowego?

Tak, to jest taka mgiełka rozmytych elektronów.

Czy kształt tej mgły zmienia się w zależności od ilości protonów w jądrze?

Zależy od bardzo wielu czynników. Kształt tych mgiełek może zmieniać się na przykład w sytuacji gdy atom oświetlimy światłem. Kiedy foton zostanie pochłonięty przez atom kształt tej mgiełki zmienia się ponieważ elektron przeskakuje do stanu o wyższej energii. Te mgiełki to nie jest nic trwałego, one cały czas ewoluują. Każdy pierwiastek ma jądro o nieco innych właściwościach, w związku z tym ma też różną liczbę elektronów. Każdy z nich tworzy swoją mgiełkę, która współzależy od innych mgiełek. Okazuje się, że tym abstrakcyjnym opisem można wyjaśnić strukturę i właściwości tablicy Mendelejewa. Coś co Mendelejew odkrył układając rodzaj pasjansa i to co chemicy badali nieskończoną liczbą eksperymentów, mechanika kwantowa wyjaśnia za pomocą elementarnego równania Schrödingera. Rozwiązanie tego równania kryje w sobie wielość struktur, którą ma cała chemia. Układ okresowy da się wyprowadzić z praw mechaniki kwantowej, a z niego całą chemię, a z niej być może nawet również biologię. Dlatego fizycy tak interesują się fundamentalnym prawami przyrody bo z nich zapewne wszystko inne wynika.

Czy mechanika kwantowa opisuje reakcje chemiczne?

W zasadzie tak, choć ten opis jest bardzo skomplikowany. Redukowanie wszystkiego do równania Schrödingera jest tak złożone, że analityczne rozwiązanie go na kartce papieru staje się niemal niemożliwe. Trzeba używać do tego komputera, ale i najlepsze nawet komputery często przy tym wysiadają. Wszystkie rzeczy, które potrafimy sprawdzać, czyli bardzo procesy fizyko-chemiczne, dla których obliczenia potrafimy dokończyć, okazują się fantastycznie zgodne z eksperymentami. Na tej podstawie podejrzewa się, że cała chemia sprowadza się do fizyki. Jednak znacznie lepiej opisywać przebiegi reakcji za pomocą prostszych, bardziej efektywnych praw. Takim efektywnym opisem jest właśnie chemia lub biologia. To są metody, które opisują zjawiska nie w fundamentalnej skali, ale w takiej w której prawa są znacznie bardziej użyteczne.

Przez to są one znacznie bardziej uproszczone.

Są uproszczone i są przekłamane. Niektórzy fizycy podejrzewają, że teoria kwantowa też jest takim efektywnym uproszczeniem, rozwinięcia którego jeszcze nie znamy. Możemy się spodziewać, że to rozwinięcie będzie jeszcze dziwniejsze od teorii kwantowej.

W Pańskiej książce „Kwantechizm czyli klatka dla ludzi” sugeruje pan, że jesteśmy na początku kwantowego alfabetu. W jaką stronę zmierzają dalsze badania?

Podejrzewam, że nasza wiedza o świecie jest bardzo ograniczona. Teorię kwantową znamy bardzo dobrze. Niektórzy nawet twierdzą, że jesteśmy blisko odkrycia ,,teorii wszystkiego’’. Ja głęboko w to wątpię. Niestety, wszelkie próby przewidywania przyszłości strasznie się kompromitują. Można powiedzieć, że w skali 20 lat czeka nas ewolucja technologiczna, a w czasie miliona lat biologiczna. Mówienie, że naszymi prostymi mózgami możemy przewidzieć co się wówczas wydarzy jest niepoważne.

Zastanawiam się nad bliższą przyszłością. Na przykład, czy wkrótce powstanie kwantowa teoria grawitacji?

No właśnie nie wiadomo czy będzie ona kwantowa. Prędzej czy później zapewne odkryjemy teorię, która łączy prawa kwantowe z prawami grawitacji. W tym sensie pojęcie kwantowa grawitacja jest na wyrost bo nie wiadomo czy będzie kwantowa, czy coś zupełnie innego.

Co kryje się pod nazwą interpretacja fizyki kwantowej?

Kiedy ludzie odkrywali teorię kwantową byli bardzo skonfundowani i nie bardzo wiedzieli o co w tym wszystkim chodzi. Chodzili po omacku i próbowali zrozumieć czym są te dziwne prawa, co one oznaczają dla naszego rozumienia rzeczywistości. Wówczas Niels Bohr, który był ojcem i matką teorii kwantowej, skupił w Kopenhadze kilku współpracujących ze sobą noblistów. Bohr wiele mówił o teorii kwantowej, o tym jak on ją rozumie, ale robił to w sposób bełkotliwy i kompletnie niejasny. Zresztą sam twierdził, że robi to celowo bo sama teoria jest niezrozumiała i tak należy o niej mówić. Interpretacja, w tym przypadku Kopenhaska jest pewnym sposobem interpretacji równań. Jednym z jej głównych elementów jest fakt, że wyniku pojedynczego eksperymentu z udziałem pojedynczych cząstek kwantowych nie da się przewidzieć. Jest to fundamentalne prawo przyrody, które mówi, że pewne zjawiska są nieprzewidywalne. W związku z tym można jedynie wyliczyć prawdopodobieństwo takiego czy innego wyniku. Teoria kwantowa pozwala przewidywać te prawdopodobieństwa. To umożliwia stworzenie statystyki wyników, która określa co by się wydarzyło gdybyśmy wielokrotnie powtórzyli próbę. To jest zasadniczy element interpretacji kopenhaskiej.

Czy są inne interpretacje?

Tak, sporo ich jest. Na przykład Roger Penrose ma własną. Tyle, że on w ogóle nie wierzy w teorię kwantową. On lubi wszelkie nieortodoksyjne pomysły, ale nie wierzy w nieprzewidywalność zjawisk. Twierdzi, że dotychczasowe ustalenia są tylko tymczasowe, a kiedyś zrozumiemy rzeczywistość w całości i będziemy musieli obecne ustalenia reinterpretować. Według niego grawitacja w teorii kwantowej gra jakąś ważną rolę, a jej istnienie powoduje, że determinizm się indukuje w tych niedeterministyczny prawach. Uważa, że istnienie pola grawitacyjnego wywiera wpływ na to, że w pojedynczych eksperymentach następuje przeważenie szal i otrzymujemy taki, a nie inny wynik. Ciekawy pomysł, choć póki co żaden eksperyment go nie potwierdza.

Jest jeszcze interpretacja wielu światów, czyli coś naturalnie wynikającego z teorii kwantowej, jeśli przyjmiemy, że teoria kwantowa działa nie tylko w mikroskalach, ale też w makroskalach. Jeśli nie ma granicy stosowalności praw kwantowych, to możemy opisywać w ten sposób nie tylko elektron ale mrówkę, człowieka i wszechświat. Zatem, jeśli elektron może być w dwóch miejscach naraz to człowiek również.

Każda z tych interpretacji ma jakiś defekt, czyli można zadać pytania na które jedyną odpowiedzią jest: nie wiem. Każda ma swoje wady i nie ma jednej, która jest od nich wolna. Trzeba się z tym pogodzić. Żadna z nich nie jest dla mnie satysfakcjonująca. Dlatego też wielu fizyków używa interpretacji fizyki kwantowej, która brzmi: zamknij się i licz. To jest interpretacja, która póki co świetnie działa.

Kwantowa wizja świata w porównaniu z newtonowską jest dziwna.

Dla mnie to świat newtonowski jest dziwniejszy niż świat kwantowy. Jeśli w teorii kwantowej są jakieś trudne pytania, na które nie potrafimy odpowiedzieć, to w newtonowskiej tych pytań jest o wiele więcej. Jest to wbrew pozorom o wiele bardziej bezsensowna wizja świata niż wizja kwantowa. Dla mnie świat kwantowy jest o wiele jaśniejszy.

Jednak wizja newtonowska wyjaśnia w jakiś sposób świat makro.

Wyjaśnia sprawy do których jesteśmy już przyzwyczajeni, co do którego mamy pewne intuicje i ta teoria jest z tymi intuicjami zgodna. Problem z tymi intuicjami jest taki, że one wszystkie są błędne, więc i ta teoria jest błędna. To jest tylko przybliżenie.

Mózg człowieka nie został stworzony do wyobrażania sobie zagadnień fizycznych, tylko do skutecznej walki o pożywienie. Mózg nie służy do wyobrażania sobie elektronów na orbicie wodoru. Po to została stworzona matematyka aby dać nam protezę myślową, która pozwala na opisanie zagadnień, przy których nasza intuicja wysiada. Kartka, długopis i kosz na śmieci są tu bardzo pomocne. Oczekiwanie, że rzeczywistość będzie zgodna z naszymi wyobrażeniami jest zbyt naiwne.