Przeskocz do treści

Delta mi!

Interpretacje teorii kwantów

Jan Chwedeńczuk

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: grudzień 2018
  • Publikacja elektroniczna: 30 listopada 2018
  • Autor: Jan Chwedeńczuk
    Afiliacja: Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
  • Wersja do druku [application/pdf]: (192 KB)

Drobne pęknięcia fundamentów mechaniki klasycznej i klasycznej elektrodynamiki, które objawiły się w drugiej połowie XIX wieku, doprowadziły do niewyobrażalnego przełomu naukowego i technologicznego. Narodziła się mechanika kwantowa, a opowieść o jej sformułowaniu i zaprzęgnięciu do realizacji naszych potrzeb to historia triumfu ludzkiego umysłu - narządu, który pierwotnie służył przede wszystkim do gonienia mamuta. Trudno wymienić wszystkie korzyści, jakie na co dzień czerpiemy ze znajomości tej teorii. Układy scalone w każdym komputerze czy telefonie komórkowym oparte są na tranzystorach półprzewodnikowych, których konstrukcja wymaga znajomości kwantowej teorii ciała stałego...

obrazek

Tenże telefon prawdopodobnie umożliwia komunikację w ramach systemu GPS, który działa dzięki precyzyjnej znajomości jednostki czasu. Kiedyś sekundę definiowało się jako ułamek doby ziemskiej, współczesna sekunda to 9 192 631 770 okresów oscylacji elektronu w wyniku przejścia między dwoma poziomami energetycznymi w atomie cezu 133 [1]. W przyszłości jednostka czasu oparta będzie na jeszcze bardziej egzotycznym zjawisku kwantowym - periodyczny sygnał pochodzić będzie od przejścia między dwoma poziomami energetycznymi w samym jądrze atomowym, tym razem atomu toru 229 [2]. Oscylacje takie wzbudza się laserem, który stanowi jeszcze jeden przykład spożytkowania zjawisk kwantowych. Laser znajduje zastosowanie w medycynie, odtwarzaczach płyt CD czy w laboratoriach badawczych. Wszystko wskazuje na to, że najbliższe lata przyniosą rozkwit technologii kwantowych, o ile tylko globalny konflikt bądź dramatyczne zmiany klimatyczne nie zahamują rozwoju cywilizacyjnego. Grafen, fuzja jądrowa, czy nano-technologie - przyszłość rysuje się kwantowo.

Oprócz zastosowań technologicznych ważny jest filozoficzny aspekt teorii kwantów i jej wpływ na nasze rozumienie otaczającego świata. W klasycznym ujęciu cząstka (na przykład elektron albo piłka tenisowa) porusza się po trajektorii zdeterminowanej przez działające nań siły. Mechanika kwantowa nie dopuszcza istnienia dokładnie określonych trajektorii. W zamian opisuje cząstki za pomocą funkcji falowej, która pozwala na "współistnienie" wielu położeń i pędów naraz. To tak, jakby rysować tor cząstki na kartce grubym flamastrem, a nie cienkopisem. Teoria kwantów określa, jak gruba jest kreska i po jakiej krzywej podąża, ale nie dopuszcza, by flamaster był nieskończenie cienki, jak to ma miejsce w przypadku klasycznym.

Skoro funkcja falowa jest "rozmyta", to można by przyjąć, że mechanika kwantowa przewiduje, że cząstka jest w wielu miejscach naraz. I tu zaczynają się schody - albowiem takie stwierdzenie jest jawnie sprzeczne z wynikami obserwacji empirycznych. Ilekroć bowiem spojrzymy na obiekt fizyczny, jest on dobrze zlokalizowany w przestrzeni. Innymi słowy, elektron jest punkcikiem zarejestrowanym przez detektor, a nie rozmytą obszerną plamą czy zbiorem rozsianych punktów. Stąd wniosek o fundamentalnym znaczeniu - zdaje się, że obserwator nie ma dostępu do funkcji falowej. A skoro tak, to jak rozumieć ten obiekt matematyczny?

Z pomocą przychodzą interpretacje mechaniki kwantowej[3]. Wśród nich prym wiedzie interpretacja kopenhaska[4], sformułowana w latach dwudziestych XX w. przez Nielsa Bohra i Wernera Heisenberga. Mówi ona, że funkcja falowa określa prawdopodobieństwo, z jakim można znaleźć cząstkę w danym miejscu i chwili czasu. Stąd jej rozmyty kształt, gdyż prawdopodobieństwo, w odróżnieniu od dobrze określonej trajektorii, może rozciągać się na całe obszary. Każdy akt obserwacji prowadzi do "kolapsu funkcji falowej" - cząstka lokalizuje się w pewnym punkcie. To, gdzie ją znajdziemy, jest zupełnie przypadkowe. Możemy jedynie określić, znając funkcję falową, z jakim prawdopodobieństwem wypadnie dany wynik.

Zauważmy, że w ramach tej interpretacji mechaniki kwantowej funkcja falowa nie opisuje realnego świata fizycznego, lecz jedynie dostarcza prawdopodobieństw zdarzeń w tym świecie. Interpretacja kopenhaska nie odpowiada na pytanie, jaki jest świat, gdy nikt nie patrzy i kim jest obserwator. Niemniej to podejście do teorii kwantów daje doskonałą zgodność z doświadczeniem - funkcja falowa w pełni opisuje wszystkie statystyczne własności układów kwantowych. Ponadto jest to najpowszechniejsza, budząca najmniej kontrowersji i najczęściej nauczana interpretacja mechaniki kwantowej.

A może w wyniku pomiaru nie dochodzi do kolapsu funkcji falowej? Może obserwator widzi cząstkę we wszystkich możliwych konfiguracjach naraz? Mówimy, że tworzy on z badanym obiektem stan splątany - koreluje się z wszelkimi wynikami dopuszczanymi przez funkcję falową i wchodzi w stan superpozycji. Dlaczego zatem obserwator nie jest świadomy współistnienia wielu wyników pomiaru, lecz wręcz przeciwnie - ma wrażenie, jakby realizowała się tylko jedna możliwość? Zwolennicy tego podejścia do mechaniki kwantowej, zwanego interpretacją wielu światów [5], argumentują, że ciężko jest zaobserwować superpozycję dużych obiektów (detektorów czy patrzących ludzi), lecz gdybyśmy mieli taką możliwość, powinniśmy dostrzec kamerę "naraz" widzącą badany obiekt w różnych położeniach. Interpretacja wielu światów rozwinięta została przez Hugh Everetta w roku 1957, jej orędownikiem jest wybitny polski fizyk Wojciech Żurek, do tego grona należał Stephen Hawking.

Wielu fizyków i filozofów głowiło się nad teorią kwantów, stąd też mnogość jej interpretacji. Warto tu wspomnieć o koncepcji Louisa de Broglie'a i Davida Bohma (interpretacja bohmowska [6]), nadającej funkcji falowej element realności. Są też podejścia zahaczające o mistycyzm, łączące mechanikę kwantową z buddyzmem, a nawet z okultyzmem. Jakakolwiek jest prawda, jedno jest niewątpliwe: nie ma zgody co do tego, jak interpretować teorię kwantów - fundamentalną teorię mikroświata.


Literatura
[1]
Base unit definitions: Second - NIST.
[2]
Lars von der Wense et al. Nature, 533(7601):47, 2016.
[3]
Wikipedia, "Interpretations of quantum mechanics".
[4]
Wikipedia, "Copenhagen interpretation".
[5]
Wikipedia, "Many-worlds interpretation".
[6]
Wikipedia, "De Broglie-Bohm theory".