Falocząstki

Siedziałem w cudownie kosmolopolitycznym, pełnym swobody i odrobiny swawoli ogrodzie Frau Gerolds z nowo poznanymi polakami i gadaliśmy o tym i owym. Nagle i dość niespodziewanie zeszło na profesora Dragana, który ostatnio często bryluje na polskojęzycznych youtubowych kanałach. Oczywiście Dragan jest także znany na tak zwanej arenie międzynarodowej, ale może nie aż tak popularny jak w naszym kraju.

Padło pytanie o kota Schrodingera i nie po raz pierwszy miałem to wrażenie że to chyba najbardziej szkodliwe sposób objaśniania koncepcji kwantów w historii. Ludzie lubią być zadziwiani, więć koncentrują się na absurdalnym fakcie że kot może być jednocześnie martwy i żywy. Tymczasem to bzdura, kot nie jest obiektem kwantowym i w związku z tym jest żywy. Albo martwy. Koniec, kropka. Oczywiście kot, ani żaden atom we wszechświecie nie istniałby gdyby nie cudaczna kwantowość mikroświata, ale kot sam w sobie owych dziwacznych właściwości nie posiada.

Generalnie sprawa zaczyna się jak opisać "coś", na przykład kufel piwa. Kufel jest czymś zwartym, zajmującym konkretny kawałek przestrzeni. Jak się go rozbije, to dostanie się wiele małych odłamków o podobnych właściwościch: zwartości i konkretnych wymiarów i położenia. Stąd wziął się archetyp cząstki. Jak już odkryto atomy, z których składa się też ciecz zawarta w kuflu oraz gaz którym oddychamy, sądzono że wszystko może być zbudowane z takich konkretnie zdefiniowanych cząstek.  

Fale zna każdy żeglarz i traktuje je jako sposób ruchu wody na powierzchni morza. Oczywiście ktoś musiał zauważyć że podobieństwo fal do ruchu wahadła. Oscylacja, ruch periodyczny, wszedł na stałe do nauki kiedy Holender Christan Huygens zaproponował analityczne rozwiązanie dla wahadła (czyli oscylatora). To było jeszcze zanim Newton opbulikował swoje Principia (1687). Falowa teoria światła została sformułowana, również przez Huygensa, w 1678, ale jakoś przez przeszło 100 lat świat cały czas jeszcze myślał o świetle jako złożonym z cząstek (efekt propagandy Newtona, jeden z wielu przykładów na to, że jak ktoś ma rację w jedym to niekoniecznie wszystkie jego poglądy są słuszne). Dzięki głównie Thomasowi Youngowi od początków XIX wielu zaczęło się coraz powszechniej uważać że światło jest falą, w związku z czym, jako fala musi rozchodzić się w jakimś ośrodku. Bo znany dotąd ruch falowy to drgania ośrodka.

Dopiero po koniec XIX wieku hipotezę eteru, dzięki doświadczeniom Michelsona i Morleya zaczęły brać diabli. Okazało się że fala elektromagnetyczna (parę lat wcześniej Maxwell ogłosił swoje równania) jest czymś esencjalnie innym niż ruch falowy obserwowany kiedy mucha wpadnie do kufla z piwem. Właściwie szkoda że nie ma na to osobnego terminu. Przynajmniej moim zdaniem.

Domyślam się że przynajmniej niektórym fizykom tego okresu mogła przemknąć myśl, że coś, co porusza się poprzez pustą przestrzeń (znaczy bez potrzeby istnienia eteru), przypomina bardziej cząstkę niż falę. Ale to bez znaczenia bo zaraz potem historia fizyki przyśpieszyła i już w 1900 roku Max Planck znalazł wytłumaczenie spektrum promieniowania emitowanego przez rozgrzane ciała zakładając że światło jest emitowane w porcjach, jak cząstki a nie fale. Pięć lat później sam Einstein użył koncepcji kwantu światła do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego (przy czym do końca życia nie wierzył że mechanika kwantowa jest ostatecznie słuszna... choć Nobla dostał właśnie za zjawisko fotoelektryczne a nie za teorię względności). 

Obraz wygenerowany przez DALL-E.

Okazuje się że każde coś, każdy 'obiekt' mikroświata, jest falocząstką, czyli bardzo dziwnym tworem, który czasem zachowuje się jak fala (na przykład potrafi interferować sam ze sobą) a czasami jak cząstka. Naiwna interpretacja, karmiona obrazami orbitali atomowych, jest taka, że falocząstka, na przykład elektron zamiast być 'kuleczką' jest chmurką, ale to niestety w ogóle nie oddaje natury kwantowego świata. A co oddaje?

I tu mamy problem. Równania działają znakomicie, przewidują nowe zjawiska z dokładnością za którymi eksperymenty ledwie nadążają, ale dobrego obrazka mentalnego kwantowej rzeczywistości nie ma. Kwantową prawdę można porównać do zenowego koana:

"Dwie małpy sprzeczają się o flagę:

- Flaga się porusza! 

- Głupia jesteś, to wiatr się porusza!

Przechodzi trzecia i mówi:

- Nie wiatr, nie flaga, to umysł się porusza!"

Paradoks i głębokie koincydencje które dają przeczucie jakieś głębszej prawdy, niestety nieuchwytnej dla umysłu, to wszystko co nam zostaje aby próbować zrozumieć fizykę kwantową.  

Ścisłe umysły

Ktokolwiek studiował nauki ścisłe (matematyka, fizyka) wie, że nasze umysły nie są stworzone do formalnego, logicznego myślenia. Dla absolutnej większości z nas (nie wiem jak jest z Einsteinami) nauka jest czymś nienaturalnym, co przychodzi nam, przynajmniej z początku, z dużą trudnością.  Rygor ścisłego myślenia to coś, co studenci trenują latami. Studiowanie przedmiotów ścisłych to mozolny trening umysłu a nie kolekcjonowanie wiedzy. Może trenowanie szachów przypomina trochę studiowanie nauk ścisłych?

Te kilkadziesiąt egzaminów które trzeba zdać, poprzedzone są miesiącami ćwiczeń, czyli rozwiązywania zadań i łamigłówek, które mają za zadanie nauczenie umysłu metod analitycznego myślenia. Wspominam jak przed pierwszą sesją, kilka nocy przed egzaminem z analizy matematycznej, śniło mi się rozwiązywanie skomplikowanych całek. W końcu egzamin poszedł nieźle, rozwiązałem poprawnie prawie wszystkie ze 100 całek.

Obrazek wygenerowany przez DALL-E.

Po co człowiekowi umysł ścisły, skoro ewolucja sama z siebie nic takiego mu nie dała (dała tylko, prawdopodobnie przypadkowo, potencjał posiadania takiego umysłu). Po co ta rafinacja naturalnych ludzkich zdolności w kierunku który w codziennym życiu jest nieprzydatny? 

Oczywiście, bez zdolności analitycznych niektórych z homo sapiens, nie mielibyśmy cudów współczesnej cywilizacji, od komputerów począwszy, poprzez edycję genów aż po bomby jądrowe. Te zaawansowane technologie, do ich rozwinięcia, wymagają lub wymagały na pewnym etapie właśnie zdolności abstrakcyjnego i analitycznego myślenia. Ale czy to myślenie jest kluczem do poznania rzeczywistości? Bo przecież rozwijanie technologii to nie poznawanie tego, jaka jest rzeczywistość.

Koncepcja nauki jako prawdy ostatecznej tak bardzo się zakorzeniła w ludzkiej świadomości, że próbuje się nią wyjaśniać absolutnie wszystko, zapominając że istnieją dobrze naukowo określone granice tego, ile można wiedzieć o rzeczywistości. Najlepszym przykładem tych granic jest mechanika kwantowa która 'wzięła się' z rozważania tego, czym jest oddziaływanie pomiędzy obiektami a raczej 'pomiar' czyli oddziaływanie mające na celu zdobycie wiedzy o obiekcie. Z tych rozważań wynika fundamentalne ograniczenie wiedzy. 

Ci, którzy nie spoczną zanim nie wyjaśnią wszystkiego i ostatecznie, często generują nadmiarowe i najprawdopodobniej nieistniejące byty - jak na przykład pola morfogenetyczne Ruperta Sheldraka.  Te "wyjaśnienia", podszywające się pod naukę, przynoszą im satysfakcję i zadowolenie ze "zrozumienia" rzeczywistości. Tymczasem ci, którzy nie pozwalają sobie na drobne fałsze i skróty myślowe skazani są na życie nigdy nie usatysfakcjonowane pełnym zrozumieniem, życie które składa się z częściowych prawd. Ale to właśnie oni, w pełnym skupieniu, w niektórych chwilach, między liniami wzorów teorii pola, między tym, co da się powiedzieć językiem, dostrzegają czasami prawdę ostateczną.