Niedokończona rewolucja Einsteina. W poszukiwaniu tego, co leży poza granicami teorii kwantowej ebook

Tytuł oryginału

EINSTEIN’S UNFINISHED REVOLUTION

The Search for What Lies Beyond the Quantum

Copyright © 2019 by Lee Smolin

Illustrations copyright © 2019 by Kaća Bradonjić

All rights reserved

Projekt okładki

Magdalena Palej

Ilustracje na okładce

© Sven Geier

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8234-671-8

Warszawa 2021

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla Diny i Kaia

Wszystko, co muzyk może zrobić, to zbliżyć się do naturalnych źródeł, dzięki czemu poczuje jedność z prawami natury.

John Coltrane

Sądzę, że mogę bezpiecznie stwierdzić, iż nikt nie rozumie mechaniki kwantowej.

Richard Feynman

PRZEDMOWA

My, ludzie, zawsze mieliśmy kłopot z nakreślaniem wyraźnych granic pomiędzy światem realnym a wytworami fantazji. Chcąc objaśnić sobie świat, wymyślamy różne opowieści, a potem, ponieważ jesteśmy naprawdę znakomitymi gawędziarzami, dajemy się nimi zauroczyć i zaczynamy mylić nasze wizje świata z nim samym. Zamieszanie to wpływa na wszystkich ludzi, w tym także na naukowców. Być może na nas jeszcze bardziej niż innych, ponieważ takie wywierające wielki wpływ opowieści należą do naszego warsztatu pracy.

Kiedy nasze rozumienie natury staje się coraz głębsze, obejmując zjawiska zachodzące w coraz mniejszej skali i mające coraz bardziej fundamentalne znaczenie, osiągane na tym polu sukcesy stają się barierami na drodze do dalszego postępu. Żeby nie ugrzęznąć, musimy znaleźć równowagę pomiędzy dobrze uzasadnionym przekonaniem o poprawności naszej ugruntowanej wiedzy a czujną świadomością tego, że nasze nawet najbardziej spektakularne hipotezy wciąż są tylko hipotezami. Trudno nam przyswoić sobie to, że wrażenia zmysłowe mają swoje źródło w realnym świecie, ale w zupełności stanowią produkt naszego mózgu, który kształtuje obraz świata właśnie w takiej formie, która jest nam potrzebna, abyśmy mogli odnaleźć się w naturze. Tymczasem natura majaczy gdzieś poza zasięgiem tych doznań, na krawędzi naszego poznania, na wskroś tajemnicza.

Najważniejsze właściwości natury, zgodnie z obecnym stanem naszej wiedzy, nie zostały zwyczajnie dostrzeżone. Najprostsze, ogólne fakty na temat świata – na przykład to, że materia zbudowana jest z atomów, albo to, że Ziemia jest sferyczną skorupą skalną, otaczającą płynne jądro, sama będąc otoczona przez cienką atmosferę, kulką zawieszoną w prawie idealnej próżni i obiegającą naturalny reaktor termonuklearny – te trywialne fakty, które poznajemy niemal od kołyski, są nam znane dzięki wytężonym wysiłkom ludzi nauki, których praca trwała przez wiele stuleci. Każdy z tych faktów kiełkował jako niemal szalony pomysł, pozostający w konflikcie z bardziej oczywistymi i rozsądniejszymi – lecz błędnymi – hipotezami.

Posiadanie umysłu naukowca z jednej strony wiąże się z poszanowaniem informacji będących pokłosiem dyskusji trwających od pokoleń, co do których autentyczności panuje zgoda, a z drugiej z zachowaniem otwartego umysłu w odniesieniu do spraw wciąż wymykających się poznaniu. Pomocna jest pokora wobec tajemnic świata, świadomość tego, że pewne znane fakty, gdy przyjrzeć im się bliżej, stają się jeszcze bardziej tajemnicze. Im więcej wiemy, tym bardziej wszystko to jest zagadkowe. Nie ma w naturze nic tak zwyczajnego, że kontemplacja tego nie wiązałaby się z niemożliwym do wyrażenia słowami zachwytem i przenikającym do szpiku kości uczuciem wdzięczności, że jest się częścią tego wszystkiego.

Tego wiosennego poranka wpadające przez otwarte okno powietrze niesie z ogrodu świeży zapach kwiatów – jaki cud sprawia, że jest to możliwe? Jakim sposobem cząsteczki niesione przez powiewy powietrza zamieniają się w nosie w ten przyjemny zapach? Dostrzegamy żywe kolory i przypominamy sobie, że słyszeliśmy kiedyś o tym, jak światło o różnych długościach fali aktywuje różne grupy neuronów. Jak to jednak jest, że wrażenie czerwieni lub błękitu może być wywoływane przez aktywację różnych neuronów? Czym są wrażenia zmysłowe, qualia, jak nazywają je filozofowie, kojarzone z różnymi barwami lub różnymi zapachami? W jaki sposób zapachy różnią się od barw, a także dlaczego się różnią, skoro jedne i drugie są impulsami elektrycznymi w neuronach? Kim jest to „ja”, które budzi się rano, i czym jest Wszechświat, który otacza mnie, gdy otwieram oczy? Najprostsze fakty dotyczące naszego istnienia i naszego związku ze światem pozostają zagadkami bez odpowiedzi.

Spróbujmy obejść trudną kwestię świadomości i skupmy się na prostszych sprawach. Jako naukowiec wierzę, że to najlepszy sposób, aby do czegoś dotrzeć. Zacznijmy od bardzo podstawowego pytania: czym jest materia? Mój syn zostawił na stole kamień. Podnoszę go – jego kształt i ciężar sprawiają, że wygodnie leży w dłoni. Napełnia mnie uczuciem, które z pewnością sięga zamierzchłych czasów.

Ale czym jest kamień?

Wiemy, jak kamień wygląda, znamy uczucie, jakie wywołuje trzymanie go w dłoni. To jednak niemal wszystko, co większość z nas wie na temat kamienia. Wygląd kamienia i odczucia związane z trzymaniem go w dłoni niewiele wnoszą do sprawy, gdy chodzi nam o stwierdzenie, co składa się na istnienie kamienia, co kształtuje jego „kamienność”. Wiemy, że większość w nim stanowi pustka, w której rozłożone są atomy. Trwałość i twardość kamienia są cechami mającymi źródło w naszym umyśle, powstającymi z połączenia wrażeń odbieranych na poziomie znacznie bardziej gruboziarnistym w porównaniu z rozmiarami atomów.

Materia występuje w wielu formach, a o niektórych wiemy – jak w przypadku kamienia albo substancji organicznych składających się na koce, prześcieradła i ubrania – że muszą być złożone. Rozważmy więc na początek prostszą formę materii: wodę w szklance. Czym ona jest?

Jeśli weźmiemy pod uwagę to, co na jej temat mówi nam wzrok i dotyk, woda wydaje się gładka i ciągła. Jeszcze całkiem niedawno, trochę ponad sto lat temu, fizycy sądzili, że materia w zupełności jest ciągła. W pierwszych latach XX wieku Albert Ein­stein wykazał, że taki pogląd jest błędny, a woda w rzeczywistości zbudowana jest z niezliczonej liczby atomów. W wodzie atomy te uporządkowane są w trójki, związane ze sobą w cząsteczki, z których każda składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu.

Dobrze, ale czym jest atom? Od stwierdzenia Ein­steina upłynęło niecałe dziesięć lat i ludzie zrozumieli, że każdy atom przypomina malutki Układ Słoneczny: centralnie położone jądro atomu odgrywa rolę Słońca, elektrony zaś zastępują planety.

Na razie wszystko się zgadza, ale czym jest elektron? Wiemy, że każdy elektron niesie niepodzielną porcję ładunku elektrycznego i każdy ma jednakową masę. Elektronowi można przypisać jakieś położenie w przestrzeni. Może on się poruszać: kiedy spojrzymy, jest tutaj; kiedy spojrzymy ponownie, jest tam.

Poza tymi własnościami nie jest łatwo zobrazować, czym jest elektron. Zajmie nam to większość tej książki.

Najlepsze pojmowanie tego, czym są kamienie, woda, cząsteczki i atomy, zapewnia gałąź nauki nazywana fizyką kwantową. Jednak, jak obecnie wie to już niemal każdy, jest to dziedzina pełna zagadek i paradoksów. Fizyka kwantowa opisuje świat, w którym nic nie ma zagwarantowanej stabilnej egzystencji: zarówno atom, jak i elektron mogą być falą albo cząstką, zależnie od tego, jak na nie patrzymy, koty są jednocześnie żywe i martwe. Stanowi to znakomitą pożywkę dla popkultury, która zamieniła określenie „kwantowy” w modne powiedzonko oznaczające coś zdumiewającego, dobrego dla kujonów. Dla tych spośród nas, którzy starają się zrozumieć świat, w jakim żyjemy, jest to jednak coś potwornego, ponieważ wydaje się, że nie istnieje prosta odpowiedź na trywialne pytanie: „Czym jest kamień?”.

W pierwszych dwudziestu pięciu latach XX wieku rozwinięto teorię nazywaną mechaniką kwantową, która miała objaśniać fizykę kwantową. Teoria ta od chwili powstania była złotym dzieckiem nauki. Stanowi podstawę zrozumienia atomów, promieniowania i wielu innych zagadnień, od cząstek elementarnych i podstawowych oddziaływań po zachowanie substancji. Jednocześnie była, również od pierwszej chwili, dzieckiem sprawiającym kłopoty. W gronie jej twórców doszło do głębokiego rozdziału, nie mogli bowiem dojść do porozumienia, co z niesfornym berbeciem zrobić. Część z nich pogrążyła się w szoku i wyrażała niepokój, nawet oburzenie. Inni okrzyknęli dziecię nowym, rewolucyjnym rodzajem nauki, która strzaskała w pył metafizyczne domysły na temat natury i naszych z nią związków, jakie poprzednie pokolenia uważały za podstawę osiągnięcia sukcesu w nauce.

Mam nadzieję przekonać czytelników tej książki, że konceptualne problemy i diametralne różnice opinii, które od samego początku nękały mechanikę kwantową, są nierozwiązane i nierozwiązywalne, z tej prostej przyczyny, że teoria jest błędna. Odniosła ogromne sukcesy, ale jest niekompletna. Nasze zadanie – jeśli mamy uzyskać proste odpowiedzi na nieskomplikowane pytania na temat kamieni – musi polegać na wyjściu poza mechanikę kwantową i sięgnięciu do opisu świata w skali atomowej, który ma sens.

Zadanie to mogłoby wydawać się przytłaczająco trudne, gdyby nie jeden z niemal zapomnianych i długo ignorowanych aspektów historii mechaniki kwantowej. Od samego zarania ery kwantowej od lat dwudziestych XX wieku istnieje alternatywna wersja fizyki kwantowej, która jest całkowicie sensowna. Ta pozostająca w cieniu teoria zawiera rozwiązania rzekomych paradoksów i zagadek świata kwantów. To skandal – i jestem przekonany, że użycie tego słowa jest ze wszech miar zasadne – że ta alternatywna forma teorii kwantowej niemal wcale nie jest nauczana. Rzadko kiedy wspomina się o niej, czy to w podręcznikach dla fizyków, czy też w literaturze popularnonaukowej dla szerszego kręgu odbiorców.

Istnieje kilka alternatywnych wersji fizyki kwantowej, które są wewnętrznie spójne. Wobec tego wyzwaniem jest zbudowanie na ich podstawie właściwego sposobu pojmowania fizyki kwantowej – ściśle odpowiadającego temu, jak funkcjonuje natura. Wierzę, że realizacja tego zadania będzie miała głębokie konsekwencje, ponieważ nowa forma fizyki kwantowej pozwoli znaleźć rozwiązania wielu niezwykle ważnych problemów fizyki, wśród których znajduje się grawitacja kwantowa i unifikacja oddziaływań. Do tej pory nie poczyniliśmy znaczących postępów na drodze do ich rozwiązania, ponieważ – jestem o tym przekonany – opieramy nasze rozważania na niepoprawnej teorii.

Fizycy są zgodni co do zachowania świata kwantów. Zgadzamy się ze sobą, że atomy i promieniowanie zachowują się inaczej niż kamienie i koty, zgadzamy się, że mechanika kwantowa działa bardzo dobrze, gdy chodzi o przewidywanie niektórych aspektów tego zachowania. Nie ma jednak zgody w zakresie wniosków, co miałoby oznaczać stwierdzenie, że nasz świat jest światem kwantowym. Jest czymś oczywistym, że konieczna jest radykalna zmiana naszego pojmowania natury, ale nie potrafimy dojść do porozumienia w kwestii, na czym zmiana ta powinna polegać. Niektórzy twierdzą, że musimy porzucić myśl, iż udaje nam się budować obraz rzeczywistości, pozostaje tylko trzymać się teorii, która opisuje jedynie to, co wiemy o świecie. Inni utrzymują, że nasze pojmowanie rzeczywistości musi zostać znacznie rozszerzone, aby obejmowało nieskończoność równoległych rzeczywistości.

Tak naprawdę ani jedno, ani drugie nie jest konieczne. Alternatywne sposoby rozumienia świata kwantów nie wymagają odrzucenia idei, że fizyka opisuje rzeczywistość niezależną od naszej wiedzy o niej. Nie wymagają też rozszerzania tej rzeczywistości poza granice nakreślane przez zdrowy rozsądek, który podpowiada nam, że istnieje jeden świat i jest nim ten, który widzimy wokół nas. Jak wyjaśnię na kartach tej książki, nic z tego, co wiemy na temat fizyki kwantowej, nie stanowi żadnego zagrożenia dla zdroworozsądkowego realizmu, zgodnie z którym nauka może dążyć do nakreślenia pełnego obrazu świata natury, jaki postrzegamy albo jaki faktycznie on jest, nawet bez naszej obecności w roli obserwatora.

To, że królestwu kwantów przypinano łatkę tajemniczości i zjawisk sprzecznych z intuicją, okazuje się jednocześnie niefortunne i zupełnie niepotrzebne. Jednym z celów tej książki jest zaprezentowanie szerszej publiczności alternatywnych teorii kwantowych, co pozwoli rozwiać aurę tajemniczości i pokazać świat kwantów w sposób, który jest intuicyjny i zrozumiały dla ludzi niemających specjalistycznego wykształcenia w dziedzinie fizyki.

Wyobrażam sobie mojego czytelnika jako osobę charakteryzującą się ogromną ciekawością natury, która może śledzić doniesienia na temat najnowszych postępów nauki na portalach informacyjnych, blogach i w książkach popularnonaukowych, ale nie ma wykształcenia matematycznego na poziomie, jaki konieczny jest do swobodnego posługiwania się językiem fizyki. Zamiast odwoływać się do matematyki, opisuję zarówno podstawowe zjawiska kwantowe, jak i zainspirowane nimi badania, posługując się słowami i obrazami. Zaraz po wstępie książka zaczyna się od trzech krótkich rozdziałów, które poświęciłem omówieniu najbardziej podstawowych informacji na temat fizyki kwantowej. Wyposażeni w tę wiedzę będziemy mogli zagłębić się w szczegóły rozmaitych koncepcji ukształtowanych na bazie różnych form teorii kwantowej, które na przestrzeni lat zaproponowano.

Jaka jest stawka sporu o mechanikę kwantową? Dlaczego znaczenie ma to, że nasza fundamentalna teoria świata natury jest tajemnicza i paradoksalna?

W tle trwającego od stulecia sporu o mechanikę kwantową znajduje się zasadnicza rozbieżność poglądów na temat natury rzeczywistości – rozdźwięk, który, gdy nie udaje się go stłumić, rozrasta się do rangi starcia o całokształt istoty badań naukowych.

U podstaw tego rozłamu znajdują się dwie kwestie.

Po pierwsze, czy świat natury istnieje niezależnie od naszych umysłów? Mówiąc precyzyjniej, czy materię charakteryzuje stabilny zbiór własności, niemających związku z naszą percepcją i wiedzą?

Po drugie, czy jesteśmy w stanie własności te pojąć i opisać? Czy dostatecznie dobrze rozumiemy prawa natury, aby wyjaśnić przeszłość naszego Wszechświata i przewidzieć jego przyszłość?

Formułowane przez nas odpowiedzi na te pytania mają przełożenie na znacznie poważniejsze kwestie dotyczące istoty i celu badań naukowych oraz roli nauki w aspekcie rozwoju ludzkości. Kwestie te w istocie przenoszą nas na granice rozdzielające rzeczywistość od fantastyki.

Ludzie odpowiadający twierdząco na oba powyższe pytania określani są mianem realistów. Zaliczał się do nich Ein­stein. Ja również jestem realistą. My, realiści, wierzymy, że otacza nas realny świat, którego własności w żaden sposób nie zależą od naszej percepcji lub wiedzy. Natura jest taka, jaka jest – czy to z naszym udziałem, czy też, głównie, bez naszego udziału. Wierzymy również, że świat można pojąć i opisać dostatecznie precyzyjnie, aby wyjaśnić zachowanie dowolnego układu należącego do świata natury.

Jeśli jesteś realistą, wierzysz, że nauka opiera się na systematycznym dążeniu do znalezienia tego wyjaśnienia. Na tym zasadza się nasze naiwne pojęcie prawdy. Stwierdzenia na temat obiektów lub funkcjonujących w naturze układów są prawdziwe tylko w takim stopniu, w jakim odpowiadają autentycznym własnościom natury.

Jeżeli na jedno lub na oba pytania odpowiadasz przecząco, wówczas zaliczasz się do zwolenników antyrealizmu.

W odniesieniu do napotykanych w codziennym życiu ciał fizycznych o rozmiarach porównywalnych z ciałem człowieka większość naukowców jest realistami. Rzeczy, które widzimy, bierzemy do ręki i rzucamy, mają proste i łatwe do zrozumienia własności. W każdej chwili istnieją gdzieś w przestrzeni. Kiedy są w ruchu, poruszają się wzdłuż pewnego toru i mają wtedy, zależnie od tego, kto ruch opisuje, określoną prędkość. Mają masę i ciężar.

Kiedy powiemy naszemu znajomemu, że poszukiwany przez niego czerwony notatnik znajduje się na stole, spodziewamy się, że informacja ta zwyczajnie jest albo prawdziwa, albo fałszywa, przy czym sądzimy, że jest całkowicie niezależna od naszej percepcji lub wiedzy.

Opis materii w tej skali, od rozmiarów najmniejszych ciał widzialnych nieuzbrojonym okiem po rozmiary gwiazd i planet, nazywany jest fizyką klasyczną. Jej twórcami byli Galileusz, Kepler i Newton. Ukoronowaniem osiągnięć w tej dziedzinie są teorie względności Ein­steina.

Nie jest jednak dla nas czymś łatwym albo oczywistym zachowanie wiary w realizm wobec materii w skali rozmiarów pojedynczych atomów. Z powodu mechaniki kwantowej.

Mechanika kwantowa jest obecnie naszą najlepszą teorią opisującą naturę w skali atomowej. Teoria ta, o czym już wcześniej napomknąłem, obejmuje jednak pewne bardzo zagadkowe właściwości. Powszechnie uważa się, że właściwości te wykluczają realizm. Właśnie tak jest: mechanika kwantowa nakazuje nam odpowiedzieć negatywnie na jedno lub obydwa pytania, które wymieniłem wcześniej. Dopóki zaś sprawdza się ona jako poprawny opis natury, jesteśmy zmuszeni porzucić realizm.

Większość fizyków nie jest realistami w odniesieniu do atomów, promieniowania i cząstek elementarnych. Ich poglądy w głównej mierze nie wynikają z chęci odrzucenia realizmu i zajęcia niezwykle radykalnego stanowiska filozoficznego. Dzieje się tak dlatego, że są oni przekonani o poprawności mechaniki kwantowej, a także dlatego, że wierzą, bo tak ich nauczono, iż mechanika kwantowa wyklucza realizm.

To prawda, że mechanika kwantowa wymaga od nas zerwania z realizmem. Z kolei jeśli jesteś realistą, musisz wierzyć, że mechanika kwantowa jest błędna. W pewnym okresie mogła odnosić sukcesy, ale nie może być w pełni poprawnym opisem natury w skali atomowej. To właśnie motywowało Ein­steina do odrzucenia mechaniki kwantowej i przypisania jej roli tymczasowego środka zaradczego.

Ein­stein i inni realiści są przekonani, że mechanika kwantowa daje nam niekompletny opis natury, któremu brakuje elementów koniecznych do pełnego rozumienia świata. Ein­stein czasem wyobrażał sobie, że istnieją jakieś „zmienne ukryte”, które dopełniłyby opis świata oferowany przez teorię kwantową. Wierzył, że pełny opis, zawierający te zmienne ukryte, będzie spójny z realizmem.

Jeżeli więc jesteś fizykiem i realistą, to nadrzędnym imperatywem staje się wyjście poza ramy mechaniki kwantowej i szukanie tych brakujących elementów, aby potem wykorzystać zdobytą wiedzę do stworzenia prawdziwej teorii atomów. Była to niedokończona misja Ein­steina, jest to również moja misja.

Można wyróżnić kilka rodzajów antyrealistów, a podział wynika z różnych poglądów na mechanikę kwantową.

Niektórzy antyrealiści są przekonani, że własności, jakie przypisujemy atomom i cząstkom elementarnym, nie są nieodłącznym atrybutem tych obiektów, ale tworzone są przez nasze oddziaływania z nimi i istnieją wyłącznie w chwili dokonywania pomiaru. Możemy nazwać ich radykalnymi antyrealistami. Najbardziej wpływowym przedstawicielem tej frakcji był Niels Bohr. On pierwszy zastosował teorię kwantową do atomu, a w konsekwencji stał się liderem i mentorem dla następnego pokolenia kwantowych rewolucjonistów. Jego antyrealizm mocno wpłynął na to, jak zaczęto pojmować teorię kwantową.

Inna frakcja antyrealistów wierzy w to, że nauka, jako całość, nie zajmuje się tym, co naprawdę znajduje się w naturze, ani o tym nie mówi, lecz raczej mówi jedynie o naszej wiedzy o świecie. Ich zdaniem własności, jakie fizyka przypisuje atomom, nie odzwierciedlają stanu samych atomów, ale stan naszej wiedzy na temat atomów. Naukowców tych można nazwać epistemologami kwantowymi.

Są jeszcze przedstawiciele operacjonalizmu, grupa antyrealistów, którzy są agnostykami w odniesieniu do kwestii, czy istnieje niezależna od nas fundamentalna rzeczywistość, czy też nie. Ich zdaniem mechanika kwantowa wcale nie opisuje rzeczywistości, jest zaledwie zbiorem procedur służących do uzyskiwania danych na temat atomów. Nie kreśli obrazu samych atomów, lecz opowiada o tym, co się dzieje, gdy atomy wchodzą w interakcje z dużymi urządzeniami, których używamy do wykonywania pomiarów. Do tej frakcji można zaliczyć, przynajmniej na podstawie części prezentowanych poglądów, najlepszego z protegowanych Bohra i twórcę równań mechaniki kwantowej – Heisenberga.

W przeciwieństwie do nieustannie spierających się ze sobą zwolenników radykalnego antyrealizmu, epistemologizmu kwantowego i operacjonalizmu wszyscy realiści mają te same poglądy – zgadzają się ze sobą w kwestii odpowiedzi na obydwa zaprezentowane wyżej pytania. Realistów różni jednak odpowiedź na trzecie pytanie: czy świat natury składa się głównie z obiektów w rodzaju tych, które widzimy wokół nas, oraz z rzeczy tworzących te obiekty? Innymi słowy, czy to, co widzimy wokół siebie, jest typowe dla Wszechświata jako całości?

Ci z nas, którzy odpowiadają na to pytanie twierdząco, mogą tytułować siebie prostymi lub naiwnymi realistami. Muszę w tym miejscu wyraźnie zaznaczyć, że używam określenia „naiwny” w znaczeniu kojarzonym z przymiotnikami: silny, świeży i nieskomplikowany. Dla mnie pogląd jest naiwny, gdy nie wymaga stosowania wyszukanych argumentów lub zawiłych uzasadnień. Jestem zdania, że jeśli to tylko możliwe, naiwny realizm powinien być preferowany.

Istnieją realiści, których poglądów nie cechuje tak pojmowana naiwność. Są oni przekonani, że rzeczywistość diametralnie różni się od świata, który postrzegamy i mierzymy.

Przykładem takiej postawy jest interpretacja wieloświatowa; uczy nas ona, że postrzegany świat jest zaledwie jednym z wielu równoleg­łych światów, których liczba stale rośnie. Zwolennicy tej teorii nazywają siebie realistami, uzurpując sobie prawo do tego określenia na mocy pozytywnych odpowiedzi na dwa pierwsze pytania. Jednak w mojej ocenie są oni realistami tylko w najbardziej technicznym, akademickim sensie. Możliwe, że można by ich nazwać realistami magicznymi, wierzą bowiem, że rzeczywistość dalece odbiega od świata, który postrzegamy. Realizm magiczny w tym znaczeniu przybiera formę niemal mistycyzmu, ponieważ sugeruje, iż prawdziwy świat jest ukryty i wymyka się naszej percepcji.

Czy jest możliwe sformułowanie teorii atomów, która będzie realistyczna w najbardziej ogólnym i naiwnym sensie, i odpowiedzenie twierdząco na wszystkie trzy pytania? Owszem, jest to możliwe. Właśnie o tym chcę opowiedzieć w tej książce. Teoria ta nie jest jednak mechaniką kwantową. Jeżeli byłaby poprawna, znaczyłoby to, że mechanika kwantowa jest błędna w tym sensie, iż musi dawać bardzo niekompletny opis natury.

To, co chcę tutaj opowiedzieć, częściowo pokazuje, jak naiwnie realistyczna teoria natury była spychana na boczne tory, podczas gdy rozkwitała teoria wymagająca od nas akceptacji antyrealizmu lub mistycyzmu. Na koniec jednak wleję w nasze serca nieco optymizmu, zarysowując drogę, która może doprowadzić nas do realistycznej wizji natury, obejmującej fizykę kwantową.

Wszystko to ma ogromne znaczenie, od pierwszych lat XXI wieku bowiem nauka znajduje się pod ostrzałem. Jest atakowana, a wraz z nią wiara w realny świat, w którym fakty są albo prawdziwe, albo fałszywe. Mówiąc wprost, część społeczeństwa zdaje się zatracać świadomość tego, gdzie przebiega granica między rzeczywistością a fantastyką.

Nauka atakowana jest przez ludzi, którzy uznają wyniki prac naukowych za niewygodne w kontekście celów politycznych i biznesowych. Zmiany klimatu nie powinny być sprawą rozważaną w kręgach politycznych – nie jest to zagadnienie ideologiczne, ale kwestia bezpieczeństwa narodowego i tak powinny być traktowane. To realny problem, który będzie wymagał rozwiązania na gruncie obiektywnych faktów. Nauka jest też atakowana przez fundamentalistów religijnych, którzy uparcie przekonują, że starożytne teksty uczą nas niezmiennych prawd pochodzących wprost od Boga.

W mojej opinii nie ma powodu, aby nauka miała być w konflikcie z większością religii. Wiele religii akceptuje naukę – a nawet ją afirmuje – jako drogę zdobywania wiedzy o świecie natury. Istnienie świata i jego sens wciąż otacza tak dużo tajemnic, że zarówno nauka, jak i religia mają pole do inspirowania dyskusji, lecz żadna z nich nie rozwiązuje wszystkich problemów.

Wystarczy, aby religie nie atakowały albo nie dążyły do podważania tych odkryć naukowych, które uważane są za ugruntowaną wiedzę, ponieważ opierają się na twardych danych i zostały sprawdzone przez ludzi mających dostateczne wykształcenie, aby ocenić ich wiarygodność. Pogląd ten podziela wielu liderów religijnych wszelkich możliwych wyznań. W zamian naukowcy powinni widzieć w tych oświeconych liderach sprzymierzeńców w realizacji misji, jaką jest dążenie do naprawy świata.

Dodatkowo modne jest atakowanie nauki przez pewnych uczonych z kierunków humanistycznych – którzy powinni mieć więcej rozumu w głowie – twierdzących, że nie jest ona niczym więcej jak konstruktem społecznym, który zapewnia zaledwie jeden punkt widzenia z całego wachlarza równie ważnych perspektyw.

Aby nauka mogła odpowiedzieć na te wyzwania stanowczo i z pełną mocą, sama musi być wolna od zepsucia powodowanego przez tych jej przedstawicieli, których zwiodły na pokuszenie mistycyzm lub metafizyczne mrzonki. Działania pojedynczych naukowców mogą być – i czasem są, spójrzmy prawdzie w oczy – motywowane przez zauroczenie mistycyzmem i metafizycznymi banialukami. Nie szkodzi to nauce dopóty, dopóki powszechnie rozumiane są i stosowane ostre kryteria służące odróżnianiu hipotezy i przeczucia od ustalonej prawdy.

Kiedy jednak antyrealistyczna filozofia przeniknie do fundamentów fizyki, jesteśmy w niebezpieczeństwie. Ryzykujemy odrzucenie budowanego od stuleci, opartego na realizmie projektu, który polegał na dokonywaniu stałego postępu, pogłębianiu, krok po kroku, wiedzy o świecie, nieustannym przesuwaniu granicy między naszą wiedzą o rzeczywistości a wytworami fantastyki.

Jedno z niesionych przez antyrealizm zagrożeń dotyczy sposobu, w jaki uprawia się fizykę. Antyrealizm obniża standardy nakreślane przez dążenie do całkowicie jasnego rozumienia natury, a przez to osłabia rygor ścisłego opisu wszystkich aspektów układu fizycznego.

W ślad za triumfalnym wdarciem się antyrealizmu w opis świata atomów musimy zmagać się z antyrealistycznymi spekulacjami na temat natury w największej możliwej skali. Hałaśliwa mniejszość kosmologów obwieszcza, że Wszechświat, jaki dostrzegamy wokół siebie, jest tylko bąblem w ogromnym oceanie nazywanym Wieloświatem, który zawiera nieskończoną ilość innych bąbli. Podczas gdy można bezpiecznie formułować hipotezę, iż obserwowane galaktyki są typowymi obiektami dla naszego Wszechświata, to inne niewidzialne bąble miałyby być rządzone przez wiele rozmaitych i losowo kształtowanych praw, przez co nasz Wszechświat wcale nie byłby typowym przedstawicielem całego zbioru. Jeśli połączymy to z faktem, że wszystkie albo niemal wszystkie bąble na zawsze pozostaną poza zasięgiem naszych obserwacji, to hipoteza Wieloświata nigdy nie będzie mogła być sprawdzona, potwierdzona lub obalona. Przesuwa to ów pomysł rodem z fantastyki poza granice nauki. Mimo to idea Wieloświata znajduje wcale niemało orędowników wśród wysoko cenionych fizyków i matematyków.

Błędem byłoby mylić fantazje na temat Wieloświata z interpretacją wieloświatową mechaniki kwantowej. Są to całkowicie różne pomysły. Ich cechą wspólną jest wszakże realizm magiczny, który sabotuje cele nauki dążącej do objaśnienia świata, jaki widzimy wokół siebie, wyłącznie przez odwołanie się do tego, co jest dostępne obserwacji. Mam wrażenie, że nie doszłoby do tych szkód i entuzjaści Wieloświata nie mogliby wywierać niszczycielskiego wpływu na cele i zamierzenia nauki, gdyby większość fizyków nie przyjęła bezkrytycznie antyrealistycznej wersji fizyki kwantowej.

Z całą pewnością mechanika kwantowa objaśnia wiele aspektów natury i czyni to z niezrównaną elegancją. Fizycy opracowali niezwykle potężny zestaw narzędzi do objaśniania najróżniejszych zjawisk w kategoriach mechaniki kwantowej, toteż gdy opanuje się reguły mechaniki kwantowej, kontroluje się dużą część natury. Jednocześnie fizycy zawsze koncentrują swoje działania wokół luk, które mechanika kwantowa zostawia w naszym rozumieniu natury. Teorii nie udaje się przedstawić obrazu tego, co dzieje się w jednostkowych procesach, poza tym często nie potrafi ona wyjaśnić, dlaczego wyniki eksperymentów okazują się takie, a nie inne.

Te luki i porażki mają znaczenie, ponieważ ukazują, że wciąż daleko nam do rozwiązania głównych problemów nauki, a wydaje się, że zaczyna nam brakować pomysłów. Wierzę, że nie udało nam się osiągnąć unifikacji teorii kwantowej z teorią grawitacji i czasoprzestrzeni (co byłoby równoznaczne z kwantyzacją grawitacji) albo unifikacji oddziaływań, ponieważ pracowaliśmy na niekompletnej i niepoprawnej teorii kwantowej.

Podejrzewam, że skutki budowania nauki na błędnych podstawach sięgają znacznie głębiej i mają większy zasięg. Podczas gdy radykalny nurt antyrealizmu panoszy się w fundamentach nauki, podważane jest zaufanie do niej jako metody rozwiązywania sporów i dociekania prawdy. Kiedy osoby odpowiedzialne za ustalanie standardów obowiązujących w zakresie naukowych objaśnień zostają uwiedzione przez zaraźliwy mistycyzm, zamieszanie odczuwalne jest w całej kulturze.

Miałem zaszczyt osobiście poznać kilku naukowców należących do drugiego pokolenia założycieli dwudziestowiecznej fizyki. Jednym z najbardziej kontrowersyjnych był John Archibald Wheeler. Teoretyk zajmujący się fizyką jądrową i mistyk w jednej osobie przekazywał mojemu pokoleniu dziedzictwo Alberta Ein­steina i Nielsa Bohra w opowieściach o swojej przyjaźni z tymi gigantami fizyki. Wheeler był zdeklarowanym militarystą, pracującym w okresie zimnej wojny nad bombą wodorową, choć jednocześnie był pionierem badań nad kwantowymi wszechświatami i czarnymi dziurami. Był też znakomitym mentorem, a w gronie jego podopiecznych znaleźli się Richard Feynman, Hugh Everett i kilku fizyków zajmujących się pionierskimi pracami w dziedzinie grawitacji kwantowej. I mógł być też moim mentorem, gdybym miał lepsze rozeznanie.

Jak przystało na autentycznego ucznia Bohra, Wheeler ozdabiał swoje wypowiedzi zagadkami i paradoksami. Jego tablica nie przypominała żadnej, jaką kiedykolwiek widziałem. Nie było na niej żadnych równań, tylko kilka wypisanych starannym pismem aforyzmów, każdy w osobnej ramce, poświęconych trwającemu przez całe życie poszukiwaniu uzasadnienia, dlaczego nasz świat jest kwantowym wszechświatem. Typowy przykład to „It from bit”1. (Tak, tak, przeczytaj to jeszcze raz, tym razem powoli! Wheeler był jednym z prekursorów obecnej mody postrzegania świata jako tworu zbudowanego z informacji. Postrzeganie to prowadzi do wniosku, że informacja jest bardziej fundamentalna niż to, co opisuje. Jest to jedna z form antyrealizmu, którą omówimy później). I jeszcze jeden: „Żadne zjawisko nie jest rzeczywistym zjawiskiem, dopóki nie jest zjawiskiem zaobserwowanym”. A oto przykład rozmowy, jaką można było odbyć z Wheelerem. Kiedyś zapytał mnie: „Załóżmy, że umierasz i stajesz przed świętym Piotrem, aby zdać ostatni, ostateczny egzamin, a on zadaje ci pytanie: »Dlaczego kwantowy?«”. (To znaczy: dlaczego żyjemy w świecie opisywanym przez mechanikę kwantową?) „Co byś mu odpowiedział?”.

Większość mojego życia strawiłem na szukaniu satysfakcjonującej odpowiedzi na to pytanie. Pisząc słowa tego wstępu, odnajduję w sobie żywe wspomnienia czasów, gdy po raz pierwszy zetknąłem się z fizyką kwantową. Mając siedemnaście lat, zrezygnowałem z nauki w liceum i przesiadywałem w bibliotece wydziału fizyki Uniwersytetu Cincinnati. Tam wpadła mi w ręce książka, której jeden z rozdziałów został napisany przez Louisa de Broglie’a (spotkamy go w rozdziale 7). To on pierwszy sformułował tezę, że elektrony są nie tylko cząstkami, lecz także falami. Rozdział stanowił omówienie jego teorii fali pilotującej, która była pierwszym realistycznym sformułowaniem mechaniki kwantowej. Tekst napisany był w języku francuskim, który po dwóch latach liceum wciąż sprawiał mi trochę kłopotu, ale dobrze pamiętam uniesienie, które stało się moim udziałem, gdy zrozumiałem podstawowe informacje. Gdy zamykam oczy, wciąż widzę stronę tej książki z wyeksponowanym wzorem wiążącym długość fali z pędem.

Pierwszy prawdziwy kurs mechaniki kwantowej zaliczyłem następnej wiosny w Hampshire College. Kurs ten, prowadzony przez Herberta Bernsteina, kończył się prezentacją fundamentalnego twierdzenia Johna Bella2, które pokazuje, w dużym skrócie, że świat kwantowy z trudem wpasowuje się w przestrzeń. Doskonale pamiętam, że gdy zrozumiałem dowód twierdzenia, wyszedłem na świeże powietrze ciepłego wieczoru i oszołomiony usiadłem na schodach biblioteki college’u. Wyjąłem notatnik i natychmiast stworzyłem wiersz dedykowany dziewczynie, w której się wtedy zadurzyłem. Napisałem w nim, że zawsze gdy nasze dłonie się stykają, jej i moje elektrony na wieki zostają ze sobą splątane kwantowo. Nie pamiętam, kim była ta dziewczyna ani co sądziła o moim poetyckim wyczynie. Na dobrą sprawę nie pamiętam nawet, czy w ogóle wiersz ten jej pokazałem. Jednak obsesyjna chęć rozgryzienia tajemnic nielokalnego zjawiska kwantowego splątania, która zakiełkowała we mnie tamtego dnia, została ze mną już na zawsze. Przez kolejne dziesięciolecia nie zmniejszyła się determinacja, z jaką dążyłem do lepszego zrozumienia świata kwantów. Zagadki fizyki kwantowej stały się osią całej mojej kariery naukowej, centralnym problemem, do którego raz za razem wracałem. Mam nadzieję, że karty tej książki będą dla ciebie inspiracją do podobnej fascynacji.

Kreślona przeze mnie opowieść rozplanowana jest jak sztuka w trzech aktach. Część pierwsza to prezentacja podstawowych pojęć mechaniki kwantowej, które będą nam potrzebne do zrozumienia, jak doszło do ukształtowania teorii. Głównym motywem jest tutaj triumf antyrealistów, z Bohrem i Heisenbergiem na czele, nad realistami, w których obozie czołową postacią był Ein­stein. Zauważ, że jest to tylko szkic, prawdziwa historia była znacznie bardziej skomplikowana. W części drugiej opowiadam o odrodzeniu realistycznego podejścia do mechaniki kwantowej, datowanego na lata pięćdziesiąte XX wieku, wyjaśniam jego mocne i słabe strony. Bohaterami są tutaj amerykański fizyk David Bohm i irlandzki teoretyk John Bell.

Część druga kończy się wnioskiem, iż realistyczne podejścia są możliwe i działają dostatecznie dobrze, aby podkopać dogmatyczne przeświadczenie, że fizyka kwantowa wymaga od nas wszystkich, abyśmy stali się antyrealistami. Dla mnie żadne z tych podejść nie brzmi rewelacyjnie. Wierzę, że stać nas na więcej. W istocie z powodów, które wyjaśnię, odważę się twierdzić, że poprawne domknięcie mechaniki kwantowej przyniesie rozwiązanie problemu grawitacji kwantowej, jak też da nam dobrą teorię kosmologiczną. W części trzeciej przedstawiam współczesne próby skonstruowania takiej realistycznej teorii wszystkiego, po trosze moje, po trosze autorstwa innych.

Witajcie w kwantowym świecie. Czujcie się jak u siebie, w końcu to przecież nasz świat i mamy prawdziwe szczęście, że wciąż możemy rozwiązywać jego tajemnice.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

PRZEDMOWA

CZĘŚĆ PIERWSZA. ORTODOKSJA NIEREALNOŚCI

ROZDZIAŁ 1. Natura lubi się ukrywać

ROZDZIAŁ 2. Kwanty

ROZDZIAŁ 3. W jaki sposób zmieniają się kwanty

ROZDZIAŁ 4. W jaki sposób kwanty wchodzą w spółkę

ROZDZIAŁ 5. Czego mechanika kwantowa nie objaśnia

ROZDZIAŁ 6. Triumf antyrealizmu

CZĘŚĆ DRUGA. ODRODZENIE REALIZMU

ROZDZIAŁ 7. Wyzwanie rzucone przez realizm: de Broglie i Einstein

ROZDZIAŁ 8. Bohm: realizm próbuje jeszcze raz

ROZDZIAŁ 9. Fizyczny kolaps stanu kwantowego

ROZDZIAŁ 10. Realizm magiczny

ROZDZIAŁ 11. Realizm krytyczny

CZĘŚĆ TRZECIA. DALEJ NIŻ KWANTY

ROZDZIAŁ 12. Alternatywy dla rewolucji

ROZDZIAŁ 13. Wskazówki

ROZDZIAŁ 14. Po pierwsze, zasady

ROZDZIAŁ 15. Kauzalna teoria widoków

EPILOG/REWOLUCJE. Zapiski dla samego siebie

PODZIĘKOWANIA

SŁOWNICZEK

POLECANE LEKTURY