Tytuł oryginału

QUANTUM

A Guide for the Perplexed

Copyright © Jim Al Khalili 2003.

First published in Great Britain in 2003

by Weidenfeld & Nicolson, London.

(The paperback edition publishd in 2012 by Phoenix,

an imprint of Orion Books Ltd.)

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

© Indigo Images

Ilustracje w środku

David Angel, Tim Oliver

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Bronisława Dziedzic-Wesołowska

ISBN 978-83-8069-916-8

Warszawa 2015

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Spis treści

WSTĘP

ROZDZIAŁ 1. MAGICZNA SZTUCZKA NATURY

Książkę dedykuję mojemu ojcu, któremu zawdzięczam bardzo wiele, między innymi to, że pierwszy opowiedział mi o pewnej dziwnej teorii, nazywanej mechaniką kwantową.

WSTĘP

Będąc nastolatkiem, należałem do grona zagorzałych czytelników magazynu „The Unexplained”, w którym roiło się od relacji ze spotkań z UFO, historii rozgrywających się w Trójkącie Bermudzkim oraz omówień najróżniejszych zjawisk paranormalnych. Pamiętam ten dreszczyk emocji towarzyszący otwarciu każdego nowego wydania i przeświadczeniu, że świat jest pełen niesamowitych i cudownych zdarzeń, których nikt nie rozumie. Najlepsze były fascynujące zdjęcia, które, jak się zdawało, wykonywano ciemną nocą w gęstej mgle, tanim aparatem fotograficznym, trzymanym w drżących dłoniach. Fotografie te miały dowodzić istnienia latających spodków, duchów i potworów zamieszkujących Loch Ness. Szczególnie mocno utkwił mi w pamięci pewien porażający obraz, ukazujący oderwane od ciała, zwęglone szczątki stóp jakiejś starszej pani, wciąż w kapciach, leżące w salonie obok kupki popiołu. Tylko tyle zostało z biedaczki po incydencie „samoistnego zapłonu ludzkiego ciała”.

Nie mam pojęcia, czy magazyn ten nadal się ukazuje – z całą pewnością nie natknąłem się nań w ostatnim czasie – lecz ludzi wciąż z niesłabnącą siłą fascynują wszelkie zjawiska paranormalne, które wymykają się nauce i nie dają się trafnie zaszufladkować, sklasyfikować ani objaśnić. Zdaje się, że wielu z nas buduje swoje dobre samopoczucie na przekonaniu, że na świecie wciąż jeszcze znajdują się zakamarki opierające się nieubłaganemu postępowi nauki, miejsca, w których magiczne, tajemnicze rzeczy nie z tej ziemi nadal istnieją i mają się dobrze.

Trochę wstyd. Irytuje mnie, że wszystkie zwycięstwa nauki, odniesione na polu wyjaśniania ogromnej liczby zjawisk zachodzących we Wszechświecie i ciągłego wzbogacania opartego na logice systemu wiedzy, czasami postrzegane są jako nieciekawe i odarte z aury niesamowitości. Jednym z fizyków, któremu takie podejście mocno zaszło za skórę, był Richard Feynman, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1965 roku, uhonorowany za wkład w nasze pojmowanie natury światła. Napisał on:

Poeci twierdzą, że nauka odbiera gwiazdom piękno – stają się przez nią zwykłymi kulami gazu atomowego. Otóż nic nie jest „zwykłe”. Ja również dostrzegam na niebie gwiazdy w jasną, pogodną noc, ale widzę mniej czy też może więcej? Jaki jest wzór albo jaki jest sens, dlaczego są takie, jakie je widzę? Tajemnica nie ucierpi zanadto, jeśli odrobinę poszerzymy swoją wiedzę. Prawda jest bowiem znacznie cudowniejsza niż wyobrażenia artystów z przeszłości. Dlaczego współcześni poeci o niej nie mówią?

Wierzę, że w dzisiejszych czasach, gdy opinia publiczna ma dostęp do tak bogatych zasobów treści popularnonaukowych, publikowanych w książkach, pismach, telewizyjnych filmach dokumentalnych i Internecie, wspomniane postawy wobec nauki ulegają zmianie. Wciąż jednak pozostaje jedna dziedzina nauki, której osiągnięć nie sposób logicznie wytłumaczyć za pomocą języka używanego na co dzień, jak też nie da się ich objaśnić przez odwołanie do prostych, lekko strawnych koncepcji i chwytliwych sloganów. Nie mówię tu o żadnych niewydarzonych ideach, opartych na domysłach i pseudonaukowym rozumowaniu, takich jak percepcja pozazmysłowa albo – jeszcze gorzej – astrologia. Przeciwnie, dziedzina, którą mam na myśli, zdecydowanie należy do głównego nurtu nauki. Tak naprawdę formułowane w jej ramach konkluzje znajdują powszechne zastosowanie i mają tak fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia natury, że opiera się na nich duża część ogółu nauk przyrodniczych. U jej podstaw leży teoria, której powstanie bez wątpienia można uznać za najważniejsze osiągnięcie naukowe XX wieku. Dziwnym zbiegiem okoliczności stanowi ona też główny temat niniejszej książki.

Mechanika kwantowa zasługuje na uwagę z dwóch całkowicie sprzecznych powodów. Z jednej strony ma tak zasadnicze znaczenie dla naszego pojmowania mechanizmów funkcjonowania świata, że opiera się na niej większość wynalazków technologicznych poczynionych w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat. Z drugiej strony odnosi się wrażenie, że właściwie nikt nie wie, jak należy rozumieć jej przesłanie!

Co się tyczy świata kwantów, wkraczamy tu na autentycznie niezwykłe terytorium, gdzie do objaśnienia poczynionych obserwacji możemy, jak się wydaje, dowolnie wybierać jedną z szeregu możliwych interpretacji, z których każda jest tak zdumiewająco niesamowita, że opowieści o uprowadzających ludzi kosmitach brzmią przy niej całkiem sensownie.

Gdybyż tylko ludzie wiedzieli, jak irytująco oszałamiający, a przy tym w cudowny sposób fascynujący jest świat kwantów, gdyby zdawali sobie sprawę z tego, że dobrze nam znana i niezawodna rzeczywistość wspiera się na kruchych podstawach znajdującej się pod nią upiornej rzeczywistości fizyki kwantowej. Nie musimy już emocjonować się opowieściami o Trójkącie Bermudzkim lub duchach nawiedzających domy – zjawiska kwantowe są o wiele bardziej niesamowite. Podczas gdy niemal każde zarejestrowane zjawisko paranormalne można przy odrobinie zdrowego rozsądku łatwo zdyskredytować, teoria kwantowa była przez niemal sto lat poddawana testom i sprawdzana na wszystkie możliwe sposoby. Wielka szkoda, że żadne z przewidywań mechaniki kwantowej, o ile mi wiadomo, nigdy nie trafiło na łamy magazynu „The Unexplained”.

Muszę już na samym początku wyraźnie zaznaczyć, że to nie teoria mechaniki kwantowej jest dziwna lub nielogiczna. Wręcz przeciwnie, jest to piękna, precyzyjna i logiczna konstrukcja matematyczna, doskonale opisująca Naturę. W gruncie rzeczy bez mechaniki kwantowej nie bylibyśmy w stanie ogarnąć podstaw nowoczesnej chemii, elektroniki ani fizyki materiałów. Bez mechaniki kwantowej nie wynaleźlibyśmy ani mikroprocesora, ani lasera. Nie byłoby telewizji, komputerów, kuchenek mikrofalowych, odtwarzaczy płyt kompaktowych i DVD, telefonów komórkowych i wielu innych wynalazków, które w obecnych czasach uznajemy za coś oczywistego.

Mechanika kwantowa z niewiarygodną precyzją przewiduje i trafnie objaśnia zachowanie najmniejszych cegiełek, z których zbudowana jest materia – nie tylko samych atomów, lecz także cząstek tworzących atomy. To dzięki niej dysponujemy bardzo dokładną i niemal kompletną wiedzą na temat oddziaływań zachodzących między cząstkami subatomowymi oraz sposobu, w jaki cząstki te łączą się ze sobą, aby uformować otaczający nas świat, którego, rzecz jasna, jesteśmy częścią.

Zdaje się, że mamy tu do czynienia z pewną sprzecznością. Jakim cudem teoria naukowa może z takim powodzeniem dawać odpowiedź na wiele pytań i jednocześnie pozostawać tak niejasna, trudna do zrozumienia?

Większość praktykujących fizyków, na co dzień korzystających z zasad i matematycznych formuł mechaniki kwantowej, powie, że nie widzi w tym żadnego problemu. Dla nich najważniejsze jest to, że reguły te działają. Mechanika kwantowa pomaga nam zrozumieć szeroką gamę zachodzących w naturze zjawisk, jej matematyczna struktura jest precyzyjna, dobrze rozumiana i – pomimo licznych prób wielu ludzi podających ją w wątpliwość – śpiewająco przetrwała wszystkie przemyślne testy doświadczalne. W istocie nierzadko fizycy bywają wyprowadzani z równowagi przez swych kolegów, którzy wciąż nie potrafią dojść do ładu z dziwaczną, sprzeczną z intuicją naturą świata cząstek subatomowych, nie są w stanie zaakceptować obrazu narzucanego nam przez teorię. W końcu jakim prawem oczekujemy, że w niewyobrażalnie małej skali atomów natura będzie się zachowywać w sposób znany nam z życia codziennego, w którym interesującymi nas obiektami są samochody, drzewa, budynki i ludzie? To nie jest tak, że teoria mechaniki kwantowej proponuje dziwny opis Natury. To Natura zachowuje się w zaskakujący sposób, sprzeczny z intuicją. Skoro mechanika kwantowa dostarcza nam narzędzi niezbędnych do zrozumienia wszystkiego, co można obserwować w świecie fizycznym, to nie mamy najmniejszego prawa obwiniać Natury – czy też teorii – za niedostatki intelektu.

Wielu fizyków traci cierpliwość do tych, którzy szukają bardziej intuicyjnej interpretacji mechaniki kwantowej, i w efekcie przyjmuje postawę, jaka – w mojej opinii – raczej nie przystoi ludziom nauki. Powiedzieliby oni: „Może tak się zamkniesz i po prostu zaczniesz stosować narzędzia kwantowe do formułowania przewidywań wyników eksperymentów? Szukanie pełnego zrozumienia czegoś, czego nie da się sprawdzić eksperymentalnie, to daremny trud i strata czasu”.

Tak naprawdę standardowa interpretacja mechaniki kwantowej – ta, której naucza się wszystkich studentów fizyki – wbudowała w teorię ścisłe reguły i warunki, jakich fizycy muszą przestrzegać w odniesieniu do rodzaju informacji możliwych do pozyskania z Natury w określonej sytuacji eksperymentalnej. Mam świadomość, że w tym miejscu książki, niemal na jej początku, zdanie to musi sprawiać wrażenie niepotrzebnie pogmatwanego, jednak zależy mi na jasnym postawieniu sprawy – mechanika kwantowa jest w historii rozwoju cywilizacji intelektualnym przedsięwzięciem, z którym nie mogą się równać żadne inne osiągnięcia, ani z okresu poprzedzającego jej powstanie, ani z czasu późniejszego.

Jak większość fizyków, wiele lat strawiłem na rozmyślaniach na temat mechaniki kwantowej, zarówno z punktu widzenia profesjonalisty i aktywnego badacza, jak też z pozycji człowieka żywo zainteresowanego głębszym znaczeniem teorii, gdy wkraczałem na obszar znany jako podstawy mechaniki kwantowej. Zmagam się z mechaniką kwantową od mniej więcej dwudziestu lat, lecz wciąż jeszcze nie udało mi się „dojść z nią do ładu”. Wydaje mi się jednak, że słyszałem wystarczająco dużo argumentów z obu stron sporu (który, możesz mi wierzyć, nadal toczy się w najlepsze mimo optymistycznie brzmiących i w pewnym sensie nieszczerych zapewnień, iż nie ma konfliktu między zwolennikami określonej interpretacji), aby przynajmniej spróbować stanąć z boku. Większość zagadnień opisywanych w tej książce nie będzie – spodziewam się – kontrowersyjna, a w miejscach, gdzie dotykam spraw odnoszących się do „rzeczywistych zdarzeń”, mam nadzieję, że udało mi się pozostać na neutralnym stanowisku i zachować obiektywizm. Nie wspieram żadnej konkretnej interpretacji mechaniki kwantowej, mam jednak jasno sprecyzowane poglądy w tej kwestii. Masz pełne prawo nie zgadzać się z nimi, lecz jestem pewien, że mogę cię do nich przekonać... chyba że należysz do ekipy, której dewizą jest „zamknij się i licz”, ale w takim wypadku zamiast czytać tę książkę, powinieneś się zająć czymś bardziej pożytecznym!

Na razie powiem tylko, że moją ulubioną interpretacją jest wersja określana jako „zamknij się, gdy liczysz”. Tym sposobem nie muszę się martwić mechaniką kwantową, kiedy z niej nie korzystam.

Jednakże książka ta nie jest tylko o znaczeniu mechaniki kwantowej. Jest również poświęcona sukcesom tej teorii, zarówno odnoszonym przez nią w zakresie objaśnienia wielu zjawisk fizycznych, jak też przejawiającym się w rozlicznych zastosowaniach, jakie miała w przeszłości, ma obecnie i będzie miała w przyszłości w różnych aspektach codziennego życia. Zabiorę cię więc w podróż przez filozofię, fizykę cząstek elementarnych i teorie dotyczące wyższych wymiarów przestrzeni, do dzisiejszych czasów i świata najnowocześniejszych laserów i mikroprocesorów, a nawet dalej, do jutrzejszego świata nacechowanego kwantową magią.

Mam nadzieję, że wszystko to brzmi fascynująco, ale doskonale zdaję sobie sprawę, że osoby stykające się z tymi zagadnieniami po raz pierwszy w naturalny sposób będą zadawać pytanie, o co tyle szumu. Jest wiele sposobów opowiadania o dziwnej naturze mechaniki kwantowej, dla jednych punktem wyjścia będą przykłady z życia codziennego, dobrze znane i przyjmowane jako coś oczywistego, dla innych „eksperymenty myślowe” – wyidealizowane sytuacje, których nie trzeba przenosić do laboratorium, aby pojąć ich znaczenie. Zaprawdę, nic w tak bezwzględny i piękny sposób nie ukazuje tajemniczej natury mechaniki kwantowej, jak doświadczenie z dwiema szczelinami. Tak więc od tego właśnie zaczniemy.

ROZDZIAŁ 1

MAGICZNA SZTUCZKA NATURY

Nie chcę już na samym początku książki zagłębiać się w zagadnienia czysto naukowe, toteż opiszę pewien prosty eksperyment. Opis ten, jak mniemam, wyda się opowiastką rodem ze świata magii i nie wykluczam, że nie zechcesz uwierzyć choćby w jedno moje słowo. Wybór należy do ciebie. Jak każdy szanujący się iluzjonista, nie wyjawię, tak od razu, na czym sztuczka polega, ani nie wyjaśnię w szczegółach, jak i dlaczego uzyskuje się taki rezultat. Jednak w tym wypadku, w przeciwieństwie do magicznych trików, w miarę opadania kolejnych zasłon tajemnicy z wolna zaczniesz doceniać fakt, że efekt ten nie opiera się na zręcznych ruchach rąk, nie wymaga żadnych ukrytych luster lub tajemniczych składników. Tak naprawdę na koniec zapewne dojdziesz do wniosku, że nie istnieje racjonalne wyjaśnienie faktu, iż sprawy mają się tak, jak je przedstawiam.

Ponieważ mógłbym bez końca epatować przymiotnikami „dziwny”, „niesamowity” i „tajemniczy”, nie traćmy czasu na fanfary i bez zbędnej zwłoki przystąpmy do konkretów. Opiszę autentyczny eksperyment i możesz mi wierzyć, obserwowany efekt jest czymś więcej niż teoretyczne spekulacje. Jeżeli dysponuje się odpowiednim oprzyrządowaniem, przeprowadzenie takiego doświadczenia nie nastręcza trudności. W istocie wykonywano je mnóstwo razy, na wiele różnych sposobów. Warto również podkreślić, że opiszę wspomniany eksperyment bez odwoływania się do wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej, lecz zrobię to z punktu widzenia czytelnika, który jeszcze nie wie, czego się spodziewać, jak też nie bardzo potrafi poradzić sobie ze zdumiewającymi wynikami. Przyjmę założenie, iż w miarę rozwoju sytuacji będziesz próbował racjonalnie podejść do wyników i szukać logicznego rozwiązania, odwołując się do czegoś, co można uważać za zdrowy rozsądek. Jest to zupełnie inne podejście od tego, jakie do objaśnienia spraw zastosowałby fizyk kwantowy. Dojdziemy do tego później.

Powinienem na początku poczynić spostrzeżenie, iż sztuczkę, jeśli wciąż mamy o tym doświadczeniu mówić jako o sztuczce, można wykonać w bardzo prosty sposób, oświetlając specjalnie przygotowany ekran. W taki właśnie sposób doświadczenie to jest często opisywane w wielu podręcznikach. Okazuje się jednak, że natura światła, sama w sobie, jest bardzo dziwna, przez co efekt nieco traci ze swej dramaturgii. W szkole uczymy się, że światło zachowuje się jak fala. Na światło mogą się składać różne długości fali (dzięki czemu mamy do czynienia z różnymi barwami widma, które można dostrzec w tęczy). Światło przejawia wszystkie właściwości przypisywane falom, podlega interferencji (gdy dwie fale nakładają się na siebie), dyfrakcji (ugięciu i zmianie kierunku rozchodzenia się fali na wąskich szczelinach) i załamaniu (zmianie kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch przezroczystych ośrodków materialnych). Zjawiska te zachodzą, kiedy fale napotykają na swej drodze przeszkodę lub gdy spotykają się dwie fale. Powód stwierdzenia, że światło jest czymś dziwnym, kryje się w fakcie, iż zachowania typowe dla fal nie wyczerpują katalogu możliwości. Einstein został uhonorowany Nagrodą Nobla właśnie za wykazanie, że czasami światło potrafi zachowywać się zgoła inaczej, niż oczekiwalibyśmy tego po falach. Zajmiemy się tym szerzej w następnym rozdziale. Na potrzeby sztuczki z dwiema szczelinami możemy przyjąć założenie, iż światło jest falą. Nic przez to nie tracimy.

Na początku strumień światła kierowany jest na ekran z dwiema szczelinami, przez które światło przedostaje się na drugi ekran, gdzie powstaje obraz interferencyjny. Obraz ten składa się z jasnych i ciemnych prążków, będących efektem nakładania się dwóch osobnych fal, jakie powstały w chwili przejścia światła przez szczeliny. Tam gdzie spotykają się dwa szczyty fal (lub dwie doliny), nałożenie fal skutkuje powstaniem wyższego szczytu (lub głębszej doliny), co odpowiada podwyższeniu natężenia światła i objawia się jasnym paskiem na ekranie. Jeśli jednak szczyt jednej fali spotka się z doliną drugiej, na ekranie pojawi się czarny pasek, ponieważ fale wzajemnie się wytłumiły. Pomiędzy tymi dwoma ekstremalnymi stanami zawsze nieco światła przedostaje się na ekran, wywołując na nim stopniowe rozjaśnianie od czarnego do jasnego paska. Na ekranie pojawia się wzór interferencyjny tylko dlatego, że światło zachowuje się jak fala, przelewająca się równocześnie przez dwie szczeliny. Na razie, mam nadzieję, wszystko jest zrozumiałe.

Światło oświetlające dwie wąskie szczeliny będzie tworzyć na ekranie wzór naprzemiennych ciemnych i jasnych pasków, wywołany przez interferencję fal przechodzących przez szczeliny. Oczywiście, zjawisko to zajdzie tylko wówczas, gdy źródło światła będzie „monochromatyczne” (będzie zawierało tylko jedną długość fali).

Następnie wykonuje się podobny eksperyment, zamiast światła wykorzystuje się piasek. Tym razem drugi ekran umieszcza się pod tym ze szczelinami, a grawitacja robi swoje. W miarę jak piasek spada na pierwszy ekran, na tym znajdującym się pod nim, dokładnie pod dwiema szczelinami, stopniowo usypywane są dwa kopczyki piasku. Nie ma w tym nic zaskakującego, skoro każde pojedyncze ziarenko piasku musi przejść przez jedną lub drugą szczelinę. Teraz nie mamy do czynienia z falami, toteż interferencja nie zachodzi. Oba kopczyki piasku będą miały tę samą wysokość, ponieważ obie szczeliny mają taki sam rozmiar, a piasek spada z punktu nad ekranem, położonego w równej odległości od obu szczelin.

Ziarenka piasku, rzecz jasna, nie zachowują się jak fale, przez co pod szczelinami powstają dwa kopczyki.

Teraz przechodzimy do interesującej części: powtórzymy sztuczkę z użyciem atomów. Specjalny przyrząd – z braku lepszej nazwy nazwijmy go pistoletem atomowym – emituje wiązkę atomów w kierunku ekranu z dwiema stosownie wąskimi szczelinami[1]. Po drugiej stronie tego ekranu umieszcza się drugi ekran z naniesioną na jego powierzchni warstwą substancji, która sprawia, że w miejscu uderzenia atomu na ekranie zawsze rozbłyskuje jasny punkcik światła.

Teraz powtarzamy sztuczkę, wykorzystując atomy. Kiedy jedna z dwóch szczelin jest zamknięta, atomy przechodzą tylko przez tę otwartą. Miejsce, do którego dotarły, wskazują jasne plamki na ekranie. Obraz szczeliny jest lekko rozmyty i choć rozkład plamek jest charakterystyczny dla falowego zjawiska dyfrakcji, to jednak wciąż jeszcze możemy utrzymywać, że atomy zachowują się jak cząstki, a wynik eksperymentu nie odbiega znacząco od sytuacji obserwowanej w odniesieniu do kopczyków piasku.

Oczywiście, nie muszę chyba mówić, że atomy są niezwykle małymi ciałami fizycznymi, a skoro tak, to powinny zachowywać się w sposób podobny do tego, który obserwowaliśmy dla ziaren piasku, a nie w sposób charakterystyczny dla fal, zdolnych dotrzeć jednocześnie do obu szczelin.

Na początek przeprowadzamy eksperyment przy otwartej tylko jednej szczelinie. Wynik nas nie zaskakuje: na ekranie za otwartą szczeliną otrzymujemy nieco rozmyty jej obraz w postaci zbioru jasnych plamek. Niewielki rozrzut plamek mógłby nas zaniepokoić, wziąwszy pod uwagę to, co już wiemy o naturze fal, właśnie taki efekt bowiem wiąże się z przejściem fali przez wąską szczelinę (efekt ten nazywamy dyfrakcją). Możemy jednak szybko rozproszyć obawy i stwierdzić, iż nie należy się zbytnio przejmować już na tym etapie, gdyż przyczyny powstania rozmycia mogą być inne – atomy mogły nie trafić idealnie w światło szczeliny i zwyczajnie odbijały się od jej krawędzi.

Następnie otwieramy drugą szczelinę i czekamy na ukazanie się plamek na ekranie. Jeżeli poprosić kogoś, aby przewidział rozkład sukcesywnie pojawiających się jasnych plamek, w naturalny sposób zaproponowałby rozwiązanie analogiczne do dwóch kopczyków piasku. Mianowicie zbiór plamek będzie kumulował się za każdą ze szczelin, aż w efekcie powstaną dwa odrębne jasne paski, najjaśniejsze pośrodku i stopniowo tracące intensywność ku brzegom, gdzie „trafienia” stają się coraz rzadsze. W połowie dystansu między jasnymi paskami ekran będzie ciemny, ponieważ jest to obszar, do którego atomy nie mogą dotrzeć, niezależnie od tego, przez którą szczelinę przeszły.

Cóż, niespodzianka, niespodzianka! Atomy nie zachowują się w taki sposób. Na ekranie powstanie obraz interferencyjny, wzór złożony z jasnych i ciemnych pasków, z jakim mieliśmy do czynienia podczas oświetlania szczelin światłem. Najjaśniejszy pasek, możesz wierzyć lub nie, znajduje się pośrodku ekranu, w miejscu, do którego, zgodnie z naszymi oczekiwaniami, nie powinno dotrzeć za wiele atomów!

Możemy podjąć próbę wyjaśnienia, jakim sposobem taki wzór powstaje. Mimo że atom jest maleńką, dobrze umiejscowioną cząstką (ostatecznie każdy atom uderza w ekran w ściśle określonym punkcie), wydaje się, iż wiązka atomów zawiązuje spisek, aby zachowywać się w sposób podobny do fal. Atomy omywają pierwszy ekran i te, którym uda się przedostać przez szczeliny, „interferują” ze sobą wzajemnie, za pośrednictwem oddziaływań atomowych, w sposób, jaki perfekcyjnie naśladuje procesy prowadzące do powstania wzoru interferencyjnego, wynikającego z nakładania się szczytów i dolin dwóch fal. Może atomy zderzają się ze sobą w szczególny, skoordynowany sposób, jakby prowadziły siebie wzajemnie do ekranu. Atomy – zapewnialibyśmy – z całą pewnością nie są rozprzestrzeniającą się falą (jak światło, fale na powierzchni wody lub dźwięk), może jednak nie powinniśmy też oczekiwać, że będą zachowywać się analogicznie do ziarenka piasku.

Niestety, tę pocieszającą historyjkę łatwo rozbić w proch i pył. Zaczyna się od poczynienia spostrzeżenia, że tworzący się na ekranie wzór złożony z jasnych i ciemnych prążków jest w jakiś sposób związany z tym, jak interferują ze sobą dwie fale. Jak w wypadku normalnych fal, szczegóły obrazu interferencyjnego zależą od szerokości szczelin, odległości między nimi i dystansu pomiędzy ekranem ze szczelinami a tym, na którym powstaje obraz.

Sam w sobie nie jest to jeszcze dowód, że atomy zachowują się jak fale. Chodzi o to, że z użyciem atomów nie tylko przeprowadzono eksperyment z dwiema szczelinami, lecz także wykonano go w wariancie, w którym w kierunku szczelin wypuszczano po jednym atomie naraz! W tych warunkach następny atom wypuszczany jest dopiero wówczas, gdy błysk światła na ekranie sygnalizuje dotarcie doń atomu poprzedniego. W dowolnej chwili przez aparaturę wędruje jeden i tylko jeden atom. Każdy atom zostawia gdzieś na ekranie wyraźną plamkę światła, którą bez trudu można zlokalizować. W praktyce większość atomów zatrzymuje się na pierwszym ekranie i wcale nie przechodzi przez wąskie szczeliny, lecz nas interesują tylko te, którym się udało.

To, co ukazuje się naszym oczom, jest dość niezwykłe. Na ekranie stopniowo gromadzą się plamki i tam, gdzie rośnie ich gęstość, powoli wyłaniają się jasne paski obrazu interferencyjnego. Pomiędzy jasnymi paskami istnieją ciemne obszary, do których atomy docierają w bardzo małych ilościach lub nie docierają wcale.

Wygląda na to, że nie możemy już twierdzić, iż atomy, które przeszły przez jedną szczelinę, wpadają na te przechodzące przez drugą szczelinę. Wzór interferencyjny nie może powstawać w wyniku kolektywnego zachowania atomów. Co więc tu się dzieje? Jest coś wyjątkowo spektakularnego w uzyskanym wyniku eksperymentu. Otóż na ekranie końcowym są miejsca, do których atomy docierały tylko wówczas, gdy otwarta była wyłącznie jedna szczelina. Otwierając drugą, udostępniamy im nową drogę przedostania się na drugą stronę, toteż spodziewamy się, że atomy mają większe szanse dostania się do tych miejsc. Tymczasem mimo otwarcia obu szczelin do wspomnianych miejsc atomy w ogóle nie docierają! Gdy atom ma do dyspozycji tylko jedną szczelinę, jakimś sposobem musi wiedzieć, że druga jest zamknięta, i dostosowuje do tego faktu swe zachowanie!

Podsumowując, każdy atom opuszcza emiter jako maluteńka cząstka, zajmująca określone miejsce w przestrzeni, dociera do drugiego ekranu również jako cząstka, o czym dobitnie świadczą nikłe punkciki światła, towarzyszące osiągnięciu przez nią powierzchni ekranu. Jednak po drodze, gdy napotyka dwie szczeliny, dzieje się coś tajemniczego, zbliżonego do zachowania fali, która rozdziela się na dwie części, a każda przechodzi przez inną szczelinę i interferuje z drugą częścią po drugiej stronie pierwszego ekranu. Jak inaczej można racjonalnie wyjaśnić, że atom musi w jednej i tej samej chwili być świadom stanu obu szczelin?

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

1 Na potrzeby doświadczenia szczeliny muszą być naprawdę wąskie i położone blisko siebie. Eksperymenty tego typu w rzeczywistości przeprowadzano w latach dziewięćdziesiątych XX wieku, wykorzystując w roli ekranu arkusz złotej folii ze szczelinami o szerokości rzędu jednego mikrometra (jednej tysięcznej milimetra).

PEŁNY SPIS TREŚCI

WSTĘP

ROZDZIAŁ 1. MAGICZNA SZTUCZKA NATURY

ROZDZIAŁ 2. POCZĄTKI

Jak to się wszystko zaczęło

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Einstein

Cząstki światła

Dualna natura światła

Bohr: fizyk, filozof, futbolista

Na scenę wkracza francuski książę

ROZDZIAŁ 3. PRAWDOPODOBIEŃSTWO I PRZYPADEK

Wierzysz w przeznaczenie?

Wynik gry w bilard

Kwantowa nieprzewidywalność

Rogale w piłce nożnej

Najważniejsze równanie w fizyce

Co się dzieje, kiedy nie patrzymy?

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

ROZDZIAŁ 4. UPIORNE POWIĄZANIA

Superpozycja

Sztuczka z dwiema szczelinami „wyjaśniona”

Nielokalność

Splątanie

Eksperyment EPR

ROZDZIAŁ 5. OBSERWATORZY I OBSERWOWANI

To, co widzisz, jest tym, co otrzymasz

Mikroskop Heisenberga na promieniowanie gamma

„I wtedy dzieje się coś innego”

Kot Schrödingera

Nie mów mi, jaki jest wynik

Dwa stadia problemu dokonywania pomiaru

Dekoherencja

Czy dekoherencja stanowi rozwiązanie problemu pomiaru?

ROZDZIAŁ 6. WIELKA DEBATA

Formalizm kontra interpretacja

Interpretacja kopenhaska

Interpretacja de Broglie’a–Bohma

Interpretacja wieloświatowa

Co jeszcze mamy na rynku?

Na czym stoimy?

ROZDZIAŁ 7. ŚWIAT SUBATOMOWY

Wszędzie tajemnicze promienie

W głąb atomu

Jądro atomu

Tworzenie cząstek z niczego

Oddziaływania jądrowe

Kwarki

ROZDZIAŁ 8. POSZUKIWANIE TEORII OSTATECZNEJ

Kwantowa teoria światła

Teorie z cechowaniem i symetrie

Siła kolorowa

GUT – Teoria Wielkiej Unifikacji

A co z grawitacją?

Lekcja Plancka

Teoria strun

Lekcja Einsteina

ROZDZIAŁ 9. FIZYKA KWANTOWA W ZASTOSOWANIACH

Epoka mikroprocesora

Sprytny pomysł czeka na zastosowanie

Magnesy wielkie jak budynki

Bezustanny przepływ prądu elektrycznego

Energia zaklęta w jądrze atomu

Mechanika kwantowa w medycynie

ROZDZIAŁ 10. W NOWE MILENIUM

Sprytne eksperymenty

Jak śledzić atom

Oglądanie dekoherencji w akcji

Bicie rekordów splątania

Kwantowa kryptografia

Prawo Moore’a

Kubity

Co zatem mógłby robić komputer kwantowy?

Jak zbudować komputer kwantowy

Teleportacja kwantowa

POLECANE LEKTURY

PODZIĘKOWANIA