Nie ma cząstek. Są pola

2 kwietnia 2025
Blog szalonych naukowców
Przemieszczające się w polu fale tworzą nakładające się na siebie grzbiety i doliny. Psgs123xyz za Wikimedia Commons, w domenie publicznej

Nie ma cząstek, są pola – taki wniosek wynika z książki Arta Hobsona „Kwanty dla każdego”.

Jak to nie ma cząstek? Przecież właśnie przed chwilą wykryto nową (no… quasi-cząstkę). Wszyscy uczyliśmy się w szkole o protonach, elektronach, słyszeliśmy o kwarkach… Einstein dostał Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego: będący cząstką foton uderza w inną cząstkę elektron i wybija go z atomu.

Autor zwraca jednak uwagę na kilka innych istotnych zjawisk, przede wszystkim znane szeroko doświadczenie z dwoma szczelinami. Zademonstrowano je dla światła, elektronów, atomów, a nawet cząsteczek. Przepuszczamy cząstki przez dwie wąskie szczeliny i obserwujemy, w jakich miejscach uderzają w ekran. Punktowe cząstki, podobne do małych piłeczek, zmierzałyby po linii prostej i uderzały w ekran naprzeciwko szczelin. W rzeczywistości obserwowano charakterystyczny wzór podłużnych prążków, tzw. interferencyjny. Podobny układ tworzą nakładające się fale na wodzie dochodzące z dwóch różnych miejsc.

To samo zjawisko obserwujemy w przypadku przechodzącego przez dwie szczeliny elektronu. Na ustawionym dalej ekranie widać charakterystyczne dla fal prążki interferencyjne. Alexandre Gondran, za Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Tak więc elektron czy foton to fale… Fale czego? Fala na wodzie jest pewnym zaburzeniem ośrodka, czyli samej wody, polegającym na pionowym ruchu poszczególnych cząsteczek. Co jednak miałoby się ruszać w przypadku światła czy elektronu, przemierzających próżnię niewypełnioną żadnym ośrodkiem?

Sławetny eter, niby to wypełniający przestrzeń, wyrzucono z teorii dekady temu. Co więc faluje? Czego zaburzeniem są fale materii czy promieniowania? Wydaje się, że samej przestrzeni, pewnych jej właściwości ujmowanych w formie pól.

Hobson litościwie ogranicza matematykę w swojej książce. Więcej o polach można znaleźć u innych autorów, choćby w serii „Teoretyczne minimum” Leonarda Susskinda. Okazuje się, że pole jest pewną funkcją przyporządkowującą do każdego punktu w przestrzeni pewien obiekt matematyczny. Słowo funkcja oznacza po prostu relację przyporządkowującą każdemu elementowi pierwszego zbioru dokładnie jeden element drugiego zbioru. Tak więc w Polsce noszone przez każdego obywatela nazwisko jest funkcją (każdy Polak ma tylko jedno, choć niekiedy złożone nazwisko; tworzone w niewiadomym celu przydomki literackie pewnych kandydatów na urzędy pomijamy), a Wielkiej Brytanii (gdzie nazwisk można nosić kilka) już nie.

Najprostsze pole skalarne przyporządkowuje dla każdego punktu pojedynczą liczbę, przykładem temperatura. Bardziej skomplikowane są pola wektorowe. Weźmy wiatr. By go opisać, nie wystarczy podać jednej liczby. Poza prędkością ma kierunek, może też się w pewnym stopniu wznosić bądź opadać. Analogicznie możemy podać, jak szybko wieje w kierunkach północ-południe, wschód-zachód i góra-dół. Możemy opisać go czymś w rodzaju strzałki, wektorem o trzech współrzędnych. Rozmaicie dobierać sposób opisu, czyli układ współrzędnych, ale zawsze będzie to tyle samo niezależnych liczb, jak informuje nas twierdzenie o bazie przestrzeni wektorowej.

Jeszcze trudniejsze do pojęcia są pola tensorowe, gdy do każdego punktu przypisujemy tensor. To skomplikowany obiekt matematyczny opisywany przez tabelkę liczb, które zmieniają się w określony sposób przy zmianie układu współrzędnych.

Po co to komu? Rozważny pole elektryczne i magnetyczne. Na nieruchomy ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna, podczas gdy na ładunek ruchomy działa już także siła magnetyczna (Lorentza). Problem polega na tym, że ten sam ładunek porusza się bądź nie zależnie od wybranego układu odniesienia, wobec czego oddziaływanie wyłącznie elektrostatyczne w jednym układzie współrzędnych będzie magnetyczne w innym układzie odniesienia. Przechodzenie z jednego do drugiego umożliwia wyrażenie jednego zunifikowanego pola elektromagnetycznego tensorem właśnie, chociaż najprostsze obliczenia w bagnie współrzędnych kowariantynych i kontrawariantnych oraz pochodnych takich, śmakich i owakich są dramatyczne.

W każdym razie foton, czyli kwant światła, jest zaburzeniem tego właśnie pola. Nie jest więc punktem, tylko pewną rozciągłą w przestrzeni zmianą, zaburzeniem, któremu można przypisać długość fali. Ponieważ jednak kwanty mogą przekazać energię tylko w całości albo w ogóle, po uderzeniu w ekran całość energii fotonu przekazana zostaje pojedynczemu atomowi. To wywołuje wrażenie punktowej cząstki uderzającej w jedno miejsce. Analogiczne rozumowanie dotyczy elektronu i wszystkich innych cząstek będących z zaburzeniami pól materii.

Czy taka wizja nie stoi w sprzeczności z teorią względności Einsteina zakazującą poruszania się z prędkością większą niż prędkość światła? Oto mamy przed sobą rozciągły przestrzennie, a niekiedy wielki kwant oddający całą energię, czyli zmieniający się w całości (ulegający dekoherencji), w jednej chwili. Podobnie niekiedy znacznie oddalone od siebie dwa splątane kwanty jak jedna całość momentalnie zmieniają formę, gdy jeden w coś uderzy. Czy nie można by w ten sposób przesłać sygnału szybciej od światła?

W rzeczywistości teoria Einsteina nie mówi, że nic nie może poruszać się szybciej od światła. Zabrania tego obiektom posiadającym masę bądź informacjom.

Załóżmy, że pewien eksperymentator, nie musi być nawet fizykiem, dajmy na to, jest humanistą i ma na imię Karol, przesyła informacje do innego badacza, też humanisty, imieniem Tadeusz. Ponieważ, rzecz jasna, Tadeusz jest inną od Karola osobą, przebywać może w innym miejscu, teoretycznie nawet w odrębnej galaktyce. Jeśli Karol napisze tekst, np. o tematyce historycznej, Tadeusz dopiero po pewnym czasie będzie mógł go odczytać, a następnie odesłać odpowiedź, jak bardzo okazał się on dla niego inspirujący.

Jeśliby jednak Karol wysłał Tadeuszowi informację zakodowaną w kwantach światła splątanych z fotonami pozostawionymi we własnym mieszkaniu, a następnie dokonał pomiaru, fotony uległyby dekoherencji dokładnie w tej samej chwili u Karola i w apartamencie Tadeusza, nieważne, jaka dzieliłaby ich odległość, kilkaset metrów czy lata świetlne. Obaj mieliby tę samą wiedzę w tym samym momencie, tak jakby byli w istocie jedną osobą (którą oczywiście nie są).

Czy można w ten sposób rzeczywiście przekazać informację? Po trafieniu w ekran kwant światła lokalizuje się w przypadkowym miejscu. Nie ma żadnych praw fizyki, które pozwoliłyby zawczasu wyznaczyć wynik pomiaru. Jakakolwiek próba odczytu informacji da nam kompletnie losowe wyniki, cóż z tego, że takie same po obu stronach zarówno Karola, jak i u Tadeusza. Gdyby więc trzeci eksperymentator, niechaj mu na imię Jarosław, próbował przekazać im obu instrukcje, mogliby rzeczywiście otrzymać te same dane, tylko że całkowicie losowe i o niczym nieinformujące.

Nie ma więc żadnych przeszkód, by stwierdzić, że to, co uznawaliśmy za cząstki i wyobrażaliśmy sobie jako punktowe obiekty, takie małe piłeczki pingpongowe zderzające się z innymi piłeczkami pingpongowymi, w istocie stanowi rozciągłe zaburzenie wypełniających cały wszechświat pól.

Rozciągłe, a więc zdolne przejść jak każda fala przez dwie szczeliny. Zmieniające się nie lokalnie, a w jednej chwili w całości, bo mimo rozciągłości niepodzielne. Ulegające splątaniu, które jest po prostu mieszaniem rozchodzących się zaburzeń.

Kolejną szkolną wizję świata czas pożegnać. Punktowe cząstki nie istnieją.

Marcin Nowak

Bibliografia

  • Art Hobson: Kwanty dla każdego. Prószyński i S-ka, Warszawa 2018
  • Leonard Susskind et al.: seria Teoretyczne Minimum. Prószyński i S-ka, Warszawa 2015-2024