'
Text Size

Wiek kwantów - ?YWY KOT, MARTWY KOT

Stanis?aw Mrówczy?ski

Narodzona sto lat temu teoria kwantów ca?kowicie odmieni?a obraz ?wiata. Skazi?a klarowny determinizm fizyki klasycznej fundamentaln? przypadkowo?ci?, narazi?a na szwank zdrowy rozs?dek fizyków. Przy ca?ej swej dziwaczno?ci mechanika kwantowa jest obecnie wiedz? jak najbardziej praktyczn? - obja?nia dzia?anie tranzystora, reaktora, lasera.

14 grudnia 1900 roku Max Planck, wyst?puj?c na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, przedstawi? swoje wieloletnie dociekania nad promieniowaniem nagrzanego cia?a. Planck znalaz? formu??, która doskonale opisywa?a wyniki pomiarów, lecz u jej podstaw le?a?o przypuszczenie, ?e promieniowanie emitowane jest nie w sposób ci?g?y, lecz niewielkimi porcjami - kwantami. Zrazu nikt, ??cznie z pomys?odawc?, nie zrozumia? donios?o?ci chwili, nie przeczu? nadci?gaj?cej rewolucji. Przyj?cie niczym nie uzasadnionego za?o?enia nie by?o efektem chwilowej iluminacji, nag?ego ol?nienia. By?o raczej swoistym aktem rozpaczy, wyrazem bezradno?ci wobec zagadki banalnego, jak mo?na by s?dzi?, zjawiska. Poszukiwanie absolutu zawsze mi si? wydawa?o najpi?kniejszym powo?aniem uczonego - pisa? w swej autobiografii Max Planck. Formu?owanie dziwacznych hipotez, jak ta o porcjach energii, w oczywisty sposób k?óci?o si? z jego naukowym credo. Twórca rewolucyjnej koncepcji strawi? przeto wiele nast?pnych lat na bezowocnych próbach wyrugowania kwantów z fizyki.

Einstein jako jeden z pierwszych dostrzeg? w idei Plancka co? wi?cej ni? matematyczny trick i zaprz?g? j? do obja?nienia tzw. efektu fotoelektrycznego. Zjawisko to polega na przep?ywie pr?du elektrycznego mi?dzy dwiema zamkni?tymi w pró?ni i utrzymywanymi pod napi?ciem elektrodami, je?li na ujemn? skierowa? ?wiat?o o dostatecznie wysokiej cz?sto?ci. Einstein nada? kwantom ?wiat?a status realnych fizycznych obiektów, przyj?wszy, ?e zderzaj?c si? z elektronami, które s? no?nikami pr?du, przekazuj? im swoj? energi? i umo?liwiaj? przelot mi?dzy elektrodami. Einsteinowi przeto zawdzi?czamy koncepcj? fotonu - cz?stki ?wiat?a. Fotony ujawni?y ca?? paradoksalno?? kwantowej rzeczywisto?ci - ?wiat?o jest bowiem jednocze?nie fal? i rojem cz?stek, chocia? atrybuty fal i cz?stek zdaj? si? nie mie? nic ze sob? wspólnego.

Drugim, obok bada? nad w?asno?ciami promieniowania, obszarem, gdzie kszta?towa?y si? idee teorii kwantów, by?a rodz?ca si? fizyka atomu. Jeszcze w ko?cu XIX wieku rzecznicy atomowej struktury materii stanowili niedu?? zakrzyczan? przez oponentów mniejszo??. Poniewa? atomów nie mo?na by?o zaobserwowa?, s?dzono wi?c powszechnie, ?e s? one jedynie tworami umys?u, pomocnymi przy opisie niektórych zjawisk takich jak reakcje chemiczne. Koncepcja atomu zyska?a solidne podstawy dopiero po ukazaniu si? w 1905 roku prac obja?niaj?cych natur? ruchu Browna - widocznego pod mikroskopem chaotycznego, nieustannego ruchu drobiny zanurzonej w cieczy. Einstein i Marian Smoluchowski wykazali, ?e ruch drobiny jest efektem zderze? z otaczaj?cymi j? atomami cieczy. W 1911 roku Ernest Rutherford zaproponowa? planetarny model atomu, w którym lekkie elektrony obiegaj? ci??kie j?dro, niby planety S?o?ce. Model by? niezwykle poci?gaj?cy, lecz zupe?ny sprzeczny z naukami klasycznej elektrodynamiki. Ta orzeka?a, ?e elektron kr???c wokó? j?dra szybko wypromieniowuje swoj? energi? i spada na j?dro. Innymi s?owy atomy nie mog? by? trwa?e. Niels Bohr zasugerowa?, ?e w atomie mog? istnie? pewne stabilne orbity, promieniowanie za? emitowane jest tylko wtedy, gdy elektron przechodzi z jednej takiej orbity na drug?. Wykorzystuj?c ide? kwantów, Bohr wyliczy? cz?sto?? tego promieniowania i ... zdarzy? si? cud. Formu?a, któr? - wedle standardów nauk dedukcyjnych - mo?na uzna? za wzi?t? z sufitu, doskonale zgadza?a si? z wynikami precyzyjnych pomiarów.

Kombinuj?c pomys?y Plancka, Eisteina, Bohra z prawami fizyki klasycznej potrafiono opisa? coraz wi?cej zjawisk. Jednak nie mo?na powiedzie?, ?e je rozumiano. Pozostawa?o zupe?n? zagadk?, co ze spu?cizny Izaaka Newtona nale?y zachowa?, co za? odrzuci?. Kolejne odkrycia pog??bia?y jeszcze zamieszanie. Einstein dostrzeg?, ?e ?wiat?o mo?e zachowywa? si? jak zbiór cz?stek, Louis de Broglie za? stwierdzi?, ?e ruchowi ka?dej cz?stki towarzyszy fala. Werner Heisenberg sformu?owa? tzw. zasad? nieoznaczono?ci, która ustanowi?a swoiste granice poznawalno?ci kwantowego ?wiata. Pewne wielko?ci, które charakteryzuj? obiekt mikroskopowy, np. pr?dko?? i po?o?enie, nie mog? by? jednocze?nie okre?lone z dowolnie du?? dok?adno?ci?. Im lepiej znamy pozycj? cz?stki, tym mniej wiemy o jej lokalizacji. Nie wynika to jednak z niedoskona?o?ci przyrz?dów pomiarowych, lecz z samej natury rzeczy.

W ko?cu lat 20-tych z g?szczu w?tpliwych hipotez i niejasnych regu? zacz??a si? wy?ania? matematycznie spójna teoria zwana mechanik? kwantow?, rz?dz?ca si? w?asnymi, odmiennymi od newtonowskich, zasadami. Kluczow? rol? w jej kszta?towaniu odegrali Erwin Schrö dinger i wspomniany ju? Heisenberg, którzy sformu?owali ca?kiem odmienne, a jednak równowa?ne wersje tej teorii. Max Born dope?ni? dzie?a, podaj?c probabilistyczn? interpretacj? teorii kwantów. W odró?nieniu od mechaniki klasycznej, która jednoznacznie okre?la wielko?ci charakteryzuj?ce uk?ad, mechanika kwantowa pozwala jedynie wyznaczy? prawdopodobie?stwa wyst?pienia odpowiednich ich warto?ci. „Kwantowy” odpowiednik „klasycznego” zdania „elektron znajduje si? w punkcie A” brzmi wi?c „elektron przebywa w A z prawdopodobie?stwem p”. ?wiat fizyki klasycznej jest ?ci?le deterministyczny, przysz?o?? zapisana jest w przesz?o?ci, a ewolucja to nierozerwalny ?a?cuch przyczyn i skutków. Mechanika kwantowa zburzy?a ten obraz, wprowadzaj?c fundamentaln? nieprzewidywalno?? procesów fizycznych, które ze swej natury maj? charakter losowy. Boga - planist? doskona?ego, który, zadekretowawszy prawa fizyki i warunki pocz?tkowe, okre?li? przysz?o?? ?wiata w najdrobniejszych detalach, zast?pi? Bóg - rzucaj?cy ko?ci przed podj?ciem ka?dej decyzji.

Wraz z powstaniem mechaniki kwantowej k?opoty fizyków bynajmniej si? nie sko?czy?y. Ustalone zosta?y regu?y, wedle których nale?y prowadzi? obliczenia i porównywa? je z wynikami do?wiadcze?. Wyobra?enia natomiast o kwantowej rzeczywisto?ci okaza?y si? by? terenem nie ko?cz?cych si? sporów. Wci?? powraca w nich dualizm korpuskularno-falowy sprawiaj?cy, ?e kwantowy obiekt raz jawi si? cz?stk?, kiedy indziej za? fal?. Jak wspó?istnie? mog? te wykluczaj?ce si? wzajemnie w?a?ciwo?ci, kiedy nast?puje przeistoczenie si? fali w cz?stk? czy cz?stki w fal?? Fizycy skupieni wokó? Nielsa Bohra wypracowali, pod wyra?nym wp?ywem pozytywistycznej filozofii, tzw. kopenhask? interpretacj? kwantów, która, k?ad?c nacisk na logiczn? struktur? teorii i mo?no?? jej weryfikacji przez do?wiadczenie, w?a?ciwie neguje sens stawiania takich pyta?. Zadaniem fizyki jest - jak twierdz? pozytywi?ci - analiza do?wiadcze? i konfrontowanie ich z przewidywaniami teorii. Spekulacje o kwantowej rzeczywisto?ci s? nie uprawnione. Poj?cia bowiem jakimi operujemy, ukszta?towane zosta?y przez obserwacje otaczaj?cego nas makroskopowego ?wiata i zawodz? przy opisie atomów. Dualizm korpuskularno-falowy jest w?a?nie efektem owej nieadekwatno?ci poj??. Kopenhaska interpretacja nie tylko zakwestionowa?a mo?no?? opisania obiektywnej kwantowej rzeczywisto?ci, zakwestionowa?a jej samo istnienie. Stan uk?adu bowiem nie jest w pe?ni okre?lony dopóty, dopóki nie wykonamy odpowiedniego pomiaru. Na skutek pomiaru za? stan uk?adu ulega nieodwracalnej zmianie. Podmiot poznaj?cy wp?ywa przeto na przedmiot poznawany, wi?c wyniki pomiarów konstytuuj? jedyn? obiektywn? rzeczywisto??.

W ci?gu przesz?o 70 lat mechanika kwantowa zosta?a poddana najró?niejszym testom. Za ka?dym razem wyniki do?wiadcze? zgadza?y si? z teori?; nie uda?o si? zaobserwowa? ?adnych odst?pstw. Kopenhaska interpretacja jest akceptowana przez wi?kszo?? fizyków, jednak pytania o kwantow? rzeczywisto?? wci?? powracaj?. Wielu twórców teorii kwantów, w?ród nich Einstein, Schrö dinger, de Broglie, nie zaakceptowa?a jej ostatecznej postaci, odrzuca?o pozytywistyczne podej?cie Bohra. Einstein wierzy?, ?e mechanika kwantowa jest teori? niepe?n?, a jej probabilistyczny charakter jest w?a?nie tego przejawem. Bóg nie gra w ko?ci, wielokro? powtarza?. Schrö dinger traktowa? jako absurd twierdzenie, ?e dopiero pomiar okre?la stan uk?adu. Przedstawi? s?ynne rozumowanie o kocie, maj?ce wykaza? niedorzeczno??, je?li nie mechaniki kwantowej, to przynajmniej jej kopenhaskiej interpretacji. A wi?c w szczelnym pomieszczeniu zamykamy kota, pojemnik z truj?cym gazem, troch? radioaktywnej substancji oraz licznik Geigera-Mullera. Je?li nast?pi radioaktywny rozpad i licznik go zarejestruje, zostanie uruchomiony mechanizm, który uwolni trucizn?. Kot zginie. Je?li rozpad nie b?dzie mia? miejsca, zwierzak b?dzie cieszy? si? ?yciem. Promieniotwórczo?? jest zjawiskiem kwantowym, wi?c mo?emy okre?li? tylko prawdopodobie?stwo zaj?cia rozpadu; z tym samym te? prawdopodobie?stwem kot zostanie otruty. Zgodnie z regu?ami kopenhaskiej interpretacji, do momentu przeprowadzenia pomiaru, tzn. stwierdzenia, co dzieje si? ze skaza?cem, jego stan jest fundamentalnie nieokre?lony - kot jest jednocze?nie ?ywy i martwy. Fizycy mówi? o mieszanym stanie ?ywego i martwego kota. Dopiero pomiar rozstrzygnie jego losy. Wyst?powanie mieszaniny, superpozycji stanów jest zjawiskiem powszechnym w ?wiecie mikroskopowych obiektów, k?óci si? jednak ze zdrowym rozs?dkiem, gdy dotyczy? ma makroobiektów. Dotychczas nie uda?o si? przeprowadzi? eksperymentu z kotem, który by?by ?ywy i martwy zarazem. W tym roku wykonano jednak finezyjne do?wiadczenie, które odpowiada bardzo podobnej sytuacji. W obwodach elektrycznych pr?d p?ynie w jedn? albo w drug? stron?. Operuj?c jednak polem magnetycznym fizycy wprowadzili male?ki nadprzewodz?cy obwód w stan, w którym pr?d elektryczny przep?ywa? w obie strony jednocze?nie. Kot wi?c by? ?ywy i martwy zarazem!

Mechanika kwantowa odmieni?a obraz fizycznego ?wiata, lecz jej wp?yw nie ogranicza? si? bynajmniej do kwestii czysto poznawczych. Teoria kwantów pozwoli?a opisa? atomy, wyja?ni? dlaczego atomy tworz? cz?steczki i w efekcie zrozumie? natur? wi?za? chemicznych. Powstanie bomby atomowej nie by?oby mo?liwe, gdyby dzi?ki mechanice kwantowej fizycy nie poznali budowy j?dra atomowego. W roku 1911 Einstein zastosowa? ide? kwantów, aby opisa? ciep?o w?a?ciwe kryszta?ów. Wkrótce si? okaza?o, ?e praktycznie wszelkie w?asno?ci cia? sta?ych determinowane s? kwantowymi zachowaniami tworz?cych je atomów, jonów, elektronów. Dzi?ki mechanice kwantowej zrozumiano, co dzieje si? w pó?przewodnikach, mo?liwym sta? si? wynalazek tranzystora. Niezwyk?y rozwój przemys?u elektronicznego, ca?a informatyczna rewolucja, któr? obecnie prze?ywamy, jest w istocie konsekwencjami tego wynalazku. Mechanika kwantowa z jej naruszaj?cymi zdrowy rozs?dek zasadami w?ada wi?c ?wiatem, równie? tym najbli?szym, nas otaczaj?cym.

(POLITYKA 51, 2000)

Share on Facebook
Dyskusja na temat artykułu na forum
Powiniene┼Ť si─Ö zalogowa─ç lub zarejestrowa─ç aby m├│c uczestniczy─ç w dyskusji.

Najnowsze na stronie

  1. (12-07-2013 00:51 - Micha?-Anio?)
  2. (23-04-2013 00:37 - Micha?-Anio?)
  3. Monsanto vs. konopie (22-04-2013 23:58 - Micha?-Anio?)
  4. Dr Bruce Lipton Birth (21-03-2013 11:09 - Micha?-Anio?)
  5. Gorzkie nasiona (13-03-2013 08:17 - Micha?-Anio?)
  6. Wizualizacje ?wi?tej Geometrii (10-03-2013 21:39 - Micha?-Anio?)
  7. Kymatica (17-12-2012 17:07 - Micha?-Anio?)
  8. Droga Rudolfa Steinera (16-12-2012 22:17 - Micha?-Anio?)
  9. Boska matematyka (06-12-2012 00:54 - Micha?-Anio?)
  10. (11-11-2012 13:50 - Micha?-Anio?)
  11. ?wi?ta Ekonomia (06-11-2012 19:16 - Micha?-Anio?)
  12. (05-11-2012 21:10 - Micha?-Anio?)
  13. ?yjemy w symulacji? (29-10-2012 20:26 - Micha?-Anio?)
  14. Dzien przed ujawnieniem (22-07-2012 19:28 - Micha?-Anio?)
  15. Dusza i fizyka kwantowa (16-07-2012 21:32 - Micha?-Anio?)
  16. Mechanika kwantowa a granice czasu i przestrzeni (16-07-2012 16:19 - Micha?-Anio?)
  17. (16-07-2012 16:12 - Micha?-Anio?)
  18. Natura rzeczywisto?ci (16-07-2012 16:06 - Micha?-Anio?)

Na forum

No posts to display.

Muzyka Online

Otwórz radio w okienku:
Ambient       wmplayer    wmplayer    wmplayer
Relaxation    wmplayer    wmplayer    wmplayer
Meditation    wmplayer    wmplayer    wmplayer

Login Form

Forum Imaginarium
Imaginarium -Facebook
ImaginariumPL - YouTube
RSS