Coś, co się nie mieści w głowie: mechanika kwantowa

Coś, co się nie mieści
w głowie: mechanika kwantowa
Ryszard Tadeusiewicz Naukowiec AGH, absolwent myślenickiego LO

Każdy z nas ma wiele codziennych doświadczeń związanych z obiektami świata, który postrzegamy naszymi zmysłami: widzimy je, dotykamy, słyszymy, możemy nimi manipulować. Prawa Natury, które rządzą tymi obiektami opisuje fizyka. W Myślenickim Liceum fizyki uczył profesor Andrzej Bała – i robił to genialnie. Do dzisiaj korzystam na każdym kroku z przekazanej przez Niego wiedzy!

Ale prawa świata makroskopowego, złożonego z dużych obiektów, opisuje fizyka klasyczna, a zwłaszcza mechanika klasyczna. Dzięki temu, że ją znamy i używamy, budujemy wszystkie znane nam mechanizmy – od zegarka do rakiety kosmicznej.

Gdy jednak zejdziemy do świata atomów i cząstek elementarnych – to klasyczna mechanika przestaje dobrze opisywać ich działanie. Na jej miejsce w pierwszej połowie XX wieku wprowadzono mechanikę kwantową i dzięki jej stosowaniu możemy dziś korzystać z różnych urządzeń atomowych i jądrowych, ale także z urządzeń nowoczesnej elektroniki (telefony komórkowe, komputery, lasery, LEDy). Tak więc każdy z nas ma ciągłą styczność z osiągnięciami techniki wynikającymi z tego, że fizycy odkryli mechanikę kwantową – ale się nad tym nie zastanawiamy.

I bardzo dobrze, że się nie zastanawiamy! Słynny duński fizyk, jeden z twórców mechaniki kwantowej, Niels Bohr powiedział: „Gdy ktoś powiada, że może rozmyślać o mechanice kwantowej bez zawrotów głowy, dowodzi to tylko, że jeszcze nic z niej nie zrozumiał.”

Rzeczywiście, mechanika kwantowa wprowadza nas ustawicznie w zdumienie, bo w świecie mikrocząstek, który opisuje, nic się nie dzieje w zgodzie ze zdrowym rozsądkiem. Na przykład nie funkcjonuje związek przyczyn i skutków. W naszym świecie określona przyczyna zawsze wywołuje określony skutek, dzięki czemu nasz świat jest przewidywalny. W mechanice kwantowej ta sama przyczyna raz wywołuje skutek – a innym razem nie. Jedyne, co można przewidzieć, to prawdopodobieństwo tego, że po zaistnieniu przyczyny pojawi się skutek. To spowodowało, że Albert Einstein (którego odkrycia były fundamentalne dla stworzenia mechaniki kwantowej!) przez większą część życia usiłował ją obalić, mówiąc, że „Bóg nie gra w kości”, czyli że prawa stworzonego przez Niego świata nie są oparte na prawdopodobieństwie, tylko na pewności.

Nie miał racji!

Kolejnym paradoksem mechaniki kwantowej jest tak zwana superpozycja kwantowa. Polega ona na tym, że jeśli jakiś obiekt może być w jednym z dwóch alternatywnych stanów – to w myśl mechaniki klasycznej jest albo w jednym z nich – albo w drugim. Natomiast w mechanice kwantowej ów obiekt jest w obydwu tych stanach równocześnie! Ilustruje to opowieść o kocie Schroedingera, który, gdy jest w pudle, gdzie nie można go obserwować, a wraz z nim jest mechanizm jądrowy, który zależnie od rozpadu jądra promieniotwórczego izotopu zabije kota – albo nie, to kot jest równocześnie żywy i martwy. Żeby nie mordować kota Schroedingera (który też był jednym z twórców mechaniki kwantowej – oczywiście Erwin Schroedinger, a nie kot!) przeprowadza się bardziej humanitarne doświadczenie. Otóż przepuszcza się elektron przez przegrodę, w której są dwie dziurki. Jak się ten elektron obserwuje – to zachowuje się grzecznie: przechodzi przez lewą albo przez prawą dziurkę. Ale gdy się go nie obserwuje to przechodzi on równocześnie i przez lewą i przez prawą. Jeden elektron – a dwie drogi!