Cząstki na fali

16 maja 2024
Blog szalonych naukowców
Ludwik de Broglie

Dominująca interpretacja mechaniki kwantowej opiera się na zasadzie „zamknij się i licz”. Zaprzecza, by nieobserwowane przez nikogo cząstki elementarne miały jakiekolwiek położenia czy prędkości. Pozwala jedynie – albo aż – na niezwykle dokładne przewidywanie wyników doświadczeń. Ten punkt widzenia podważa Lee Smolin w książce „Niedokończona rewolucja Einsteina”.

Mechanika kwantowa urodziła się w bólach na początku XX w. W 1900 r. Max Planck wyjaśnił niewyjaśnione dotąd promieniowanie ciała doskonale czarnego, stosując – w jego przekonaniu – przebiegły, choć niemający wiele wspólnego z rzeczywistością wybieg matematyczny: założył, że energia przekazywana może być tylko w dyskretnych pakietach, czyli kwantach.

Einstein wykorzystał to założenie do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, za co otrzymał później Nobla. Niels Bohr podjął próbę wytłumaczenia w ten sposób budowy atomu. Nowa teoria święciła triumfy, odchodząc jednak od starego, potwierdzonego doświadczalnie rozumienia światła jako fali i przyjmując pewne dość absurdalne założenia. Kwant światła z matematycznej sztuczki umożliwiającej obliczenia awansował do rangi realnie istniejącego bytu. Nonsens osiągnął pełnię, gdy młody doktorant Ludwik (tutaj kilka innych imion) książę de Broglie w swym króciutkim doktoracie zasugerował, że działa to także w drugą stronę: każdej cząstce elementarnej można przypisać pewną falę.

Tak powstał dualizm korpuskularno-falowy. W skrócie: każda cząstka jest jednocześnie falą, a właściwości korpuskularne (cząsteczkowe) bądź falowe przejawia w zależności od zaplanowanego doświadczenia. Niebadana cząstka nie posiada więc w pełni właściwości cząsteczkowych. Wbrew powszechnemu rozumieniu elektron w tym ujęciu nie jest małą żółtą piłeczką okrążającą jądro zbudowane z nieco większych czerwonych i niebieskich piłeczek. Trudno powiedzieć, że okrąża on jądro, ponieważ nie istnieje w żadnym określonym miejscu ani nie ma żadnej określonej prędkości. Dopiero odpowiednio zaplanowane doświadczenie zmusza go do przyjęcia albo położenia, albo prędkości, nigdy tych dwóch wartości jednocześnie (zabrania tego zasada nieoznaczoności Heisenberga). Obserwowane położenie czy prędkość przyjmują wtedy jednak wartości losowe – z prawdopodobieństwem wyznaczanym kwadratem amplitudy funkcji falowej. Nieobserwowany elektron rozpływa się w przestrzeni.

Absurd, prawda? Ale wielokrotnie potwierdzony doświadczalnie. Pozwalający przewidzieć wyniki doświadczeń z udziałem wielkiej populacji elektronów z dokładnością do 19 miejsc po przecinku. To dzięki niemu działa komputer czy telefon, na którym czytacie Państwo ten tekst.

Na pytania, co to właściwie znaczy, jak wygląda i czym jest nieobserwowany świat, fizycy kwadratowi przez dekady reagowali wzruszeniem ramion. Obrazuje to odpowiedź udzielona przez wykładowcę studentowi cytowana we wstępie. Teoria działa, pozwala liczyć. Czego chcieć więcej? To tzw. interpretacja kopenhaska (w Kopenhadze mieszkał Bohr).

Interpretacji odmawiającej rozmowy o rzeczywistym świecie przez lata przeciwstawiała się niewielka grupka uczonych, z biegiem czasu coraz liczniejsza. Powstawały odmienne sposoby rozumienia mechaniki kwantowej.

Interpretacja Everetta postulowała istnienie wielu światów, tak by wykluczyć podejrzaną losowość uzyskiwanych w eksperymentach wyników. Przyjmuje, że każdy możliwy wynik jest tak samo realny, tylko istnieje w innym świecie. Smolin opowiada się jednak za inną, znacznie wcześniejszą interpretacją.

Już wspominany de Broglie rozważał tzw. koncepcję fali pilotującej. Według niej istnieje cały czas, niezależnie od obserwacji, rzeczywista cząstka, której zachowaniem rządzi opisywana zasadami mechaniki kwantowej fala. Nie znamy i nie możemy znać wyjściowego położenia ani prędkości cząstki, wobec czego wynik pojedynczego doświadczenia istotnie wydaje nam się losowy. Niemniej wartości te realnie istnieją. Cząstka gdzieś jest i ma jakąś prędkość.

Możliwe trajektorie cząstek po minięciu podwójnej szczeliny

Koncepcję tą rozwijał Böhm. Miał jednak niewielką grupę uczniów i pozostawał poza głównym nurtem fizyki. Podręczniki i książki popularnonaukowe traktowały ją raczej jako podawaną w przypisie ciekawostkę, tym bardziej że nie dodaje nic do przewidywań mechaniki kwantowej, postuluje natomiast niemożliwe do wykrycia cząstki.

Pozwala jednak poradzić sobie z trudnymi do zaakceptowania cechami mechaniki kwantowej. Likwiduje jej niedeterministyczny kawałek, pozwala wierzyć w rzeczywistość, która istnieje również wtedy, kiedy jej nie obserwujemy. „Księżyc nie znika, gdy na niego nie patrzę” – mówił jeden z fizyków.

Z niedeterministyczną nauką nie mógł pogodzić się również przez lata walczący z interpretacją kopenhaską Einstein, autor jeszcze bardziej znanego aforyzmu „Bóg nie gra w kości”. Dzięki fali pilotującej unikamy także niemożliwego wręcz do pojęcia balastu ontologicznego w postaci nieskończonej liczby non stop pączkujących światów z interpretacji wieloświatowej Everetta, która w dodatku, jak zauważa Smolin, nie pozwala na wyprowadzenie prawdopodobieństw określanych przez klasyczną mechanikę kwantową.

Przed ujęciem Böhma stoją jednak poważne problemy. Przyjmuje istnienie niewykrywalnych cząstek, które w dodatku nie widzą się wzajemnie (oddziałują ze sobą nie cząstki, lecz ich funkcje falowe), postuluje też istnienie olbrzymiej liczby pustych ramion funkcji falowych, na których nie przebywa żadna cząstka.

Co więcej, jak dowiódł Bell, żadna teoria cząstek elementarnych obejmująca zmienne ukryte nie może być lokalna. Lokalność oznacza, że cząstki oddziałują bezpośrednio tylko na swoje najbliższe otoczenie, a prędkość rozchodzącego się oddziaływania nie przekracza prędkości światła. Szybsze oddziaływanie byłoby sprzeczne z teorią względności Einsteina. Postulujący istnienie niemożliwych do poznania zmiennych Smolin dopuszcza więc z konieczności nielokalność, a zatem i tak nielubiane przez Einsteina „upiorne działanie na odległość”. Z tego już Einstein taki zadowolony by nie był.

Marcin Nowak

Bibliografia

  • Lee Smolin: Niedokończona rewolucja Einsteina. W poszukiwaniu tego, co leży poza granicami teorii kwantowej. Pruszyński i s-ka, Warszawa 2019 / 2021, seria Na ścieżkach nauki

Książka dość ciekawa, choć poruszająca trudne zagadnienia. Warto przeczytać, ale podczas lektury trzeba pamiętać, że została napisana w kontrze do powszechnie obowiązującej interpretacji fizyki.

Ilustracja

  • autor nieznany, Louis de Broglie. Za Wikimedia Commons, w domenie publicznej
  • Opasson, Simulation of 2 slit experiment in bohmian mechanics, za Wikimedia Commons, w domenie publicznej