Dr Jan Chwedeńczuk, fizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, i Tomasz Stawiszyński, filozof z redakcji „Przekroju”, rozmawiają o mechanice kwantowej, przypadku, konieczności, Buddzie, Dostojewskim i Woodym Allenie.

Tomasz Stawiszyński: Niezliczone łańcuchy przyczyn i skutków doprowadziły do tego, że się właś­nie spotykamy i zamierzamy rozmawiać o przypadku. Czy to przypadek, czy też konieczność, że się ta rozmowa właśnie zaczyna, w tym momencie, na taki temat i pomiędzy nami?

Jan Chwedeńczuk: To, że się tu widzimy i rozmawiamy, wynika z tego, że tak się umówiliśmy. Świadomie i w akcie własnej woli decydujemy, czy ruszyć palcem w bucie, wybrać się do toalety, co zrobić dziś wieczór. To daje poczucie sprawczości na przestrzeni kilku sekund czy godzin, ale raczej już nie lat czy dziesięcioleci. Stwierdzenie, którego użyłeś, czyli „niezliczone łańcuchy przyczyn i skutków”, wskazuje, że to spotkanie, tak jak każde zdarzenie, którego doświadczamy, jest w dłuższej perspektywie konsekwencją ogromnej liczby zjawisk. Nie mamy nad nimi kontroli, stąd wrażenie, że życiem w pewnym stopniu rządzi przypadek. Nie bez powodu Woody Allen mawiał: „Jeśli chcesz rozśmieszyć Boga, opowiedz mu o swoich planach”. Zasadnicze pytanie brzmi: czy przypadek jest tylko złudzeniem wynikającym z tego, że łańcuchy przyczyn i skutków były niezliczone? Czy wręcz przeciwnie – przypadek jest zasadniczą i niezbywalną cechą praw natury leżącą u podłoża wszelkich zdarzeń?

Jesteś fizykiem kwantowym, zajmujesz się podłożem wszelkich zdarzeń, więc Ty mi powiedz.

Informacja

Z ostatniej chwili! To trzecia z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Rzeczywiście, jeżeli uznamy, że to prawa natury, a nie zjawiska metafizyczne czy nadprzyrodzone decydują o tym, jak działa świat, musimy się odwołać do elementarnych teorii fizycznych, takich jak mechanika klasyczna i kwantowa. Podstawą fizyki klasycznej są zasady dynamiki Newtona. Teoria ta jest deterministyczna, to znaczy określa jednoznacznie związek między warunkami, w jakich trwa układ, a tym, co się z nim stanie. Na przykład gdy kopniesz piłkę, jej ruch – w ramach teorii klasycznej – będzie zdeterminowany przez to, jaką jej prędkość nadałeś na początku i jakie siły (przyciąganie­ ziemskie, opór powietrza) na nią później działały. W myśl teorii New­tona ruch drobiny kurzu, piłki czy rakiety w pełni opisany jest przez podanie ich położenia i prędkości w każdej chwili.

Cały świat składa się z takich drobin.

No właśnie, skoro cały świat składa się z najmniejszych drobin i każda z nich funkcjonuje w zgodzie z deterministycznym prawem przyrody, stąd wnioskujemy, że we wszechświecie nie ma miejsca dla przypadku. Ale jest to wniosek wysnuty z obserwacji prostych przykładów. Trudno tę teorię zastosować do zjawisk meteorologicznych, ekonomicznych czy społecznych, czyli zachodzących w złożonych układach. Jest to efekt skali i złożoności właśnie. Mimo że ruch każdej cząstki wody w chmurze zgodny jest z deterministycznym prawem przyrody – cząstek jest tak wiele, że nie sposób przewidzieć, jak się zachowa cała chmura. A co dopiero, gdy chmur jest dużo, świeci słońce, latają samoloty i jeszcze motyle machają skrzydłami.

Albo gdy mamy do czynienia ze społeczeństwem podejmującym decyzje przy urnach wyborczych…

Zjawiska społeczne czy ekonomiczne tym ciężej przewidzieć, że dochodzi czynnik wolnej woli. Jeżeli jest ona rzeczywiście wolna, to oczywiście cały świat jest niedeterministyczny. Jednostka może nagle, bez żadnej przyczyny, zdecydować, by zrobić coś, co zmieni losy wielu ludzi. Ponieważ nie sposób przewidzieć, czy i kiedy to nastąpi, przypadek staje się niezbywalną częścią naszego życia. Niemniej, jako że zjawiska społeczne są wynikiem działań milionów ludzi, ich decyzje się uśredniają i stąd zarówno w ekonomii, jak i naukach społecznych można mówić o trendach.

Współczesne neuronauki – a wcześniej psychoanaliza, choć w nieco inny sposób – dość poważnie nadszarpnęły wizję człowieka, który działa w sposób świadomy i autonomiczny, zgodnie ze swoją wolną wolą.

Nawet jeżeli wykluczymy całkowicie wolną wolę i przyjmiemy, że nasze decyzje są wynikiem deterministycznych procesów w mózgu, nie sposób prześledzić wszystkich istotnych zjawisk zachodzących w tym organie. Jest fundamentalną własnością bardzo złożonych układów, że niewielki błąd, który poczynimy, określając jego parametry w danej chwili, będzie skutkował ogromnymi konsekwencjami w przyszłości. Mimo że fundamentalne prawo mechaniki klasycznej jest deterministyczne, ogrom złożoności świata powoduje, że postrzegamy zjawiska jako zupełnie losowe, czyli takie, których nie sposób przewidzieć. Stąd wrażenie przypadkowości wielu zdarzeń.

Wrażenie przypadkowości? Czyli sprawa rozbija się tak naprawdę wyłącznie o nasze możliwości poznawcze?

Powraca problem wolnej woli. Czy gdybyś się dowiedział, że jakaś, dajmy na to, tajemnicza organizacja buduje maszynę do przewidywania przyszłości, nie chciałbyś zrobić jej na złość? Nawet jeżeli nie jest to akt twojej wolnej woli, lecz deterministyczny proces wynikający z natury ludzkiego umysłu, widać, że układ „człowiek plus organizacja” robi się bardzo złożony. Pojawiają się sprzężenia zwrotne – dowiadujesz się o działaniu maszyny, robisz jej na złość, ona reaguje, zmieniając swoje przewidywania, ty znowu stajesz okoniem i tak w kółko. Organizacja mogłaby działać tylko pod warunkiem, że nie istnieje wolna wola. Oraz mechanika kwantowa…

Przypomniały mi się Notatki z podziemia – genialny tekst Dostojewskiego, którego narrator mówi coś podobnego: gdyby nawet kiedyś udało się naukowcom wynaleźć uniwersalny algorytm pozwalający przewidzieć ludzkie zachowanie, człowiek i tak zrobiłby na złość i postąpił nieprzewidywalnie. No ale wspominasz o mechanice kwantowej. Jak się ona ma do kwestii, które poruszamy?

Powszechnie obowiązująca interpretacja mechaniki kwantowej ­– tzw. interpretacja kopenhaska­ ­– mówi, że wyniki obserwacji układów opisywanych przez tę teorię są losowe. Co prawda mechanika kwantowa stosuje się głównie do opisu zjawisk mikroświata – atomów, fotonów czy elektronów – lecz skoro cały świat składa się z tych elementarnych składników, a każdy z nich „żyje” w niedeterministycznym świecie, to ta przypadkowość powinna w pewnym stopniu przekładać się na nasze doświadczenia.

Ale się nie przekłada? Dlaczego?

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie, bo nie ma kompletnej teorii tłumaczącej, jak przewidywania teorii kwantów przechodzą płynnie do świata klasycznego, czyli takiego, jakiego doświadczamy na co dzień. Częściowa odpowiedź jest taka, że składamy się z tak wielu cząstek, że co prawda każda z nich rządzi się tymi dziwnymi prawami, lecz cząstek jest tak wiele, że to, co obserwujemy, to pewne uśrednione zachowania – jak wspomniane trendy w socjologii i ekonomii. Szansa, że tak duży obiekt, jak choćby drobina kurzu, nie mówiąc już o piłce czy człowieku, nagle jako całość zachowa się dziwacznie i nieprzewidywalnie, jest niewyobrażalnie mała. Na przykład teoria kwantów przewiduje, że obiekty mogą tunelować – piłka rzucona o ścianę może przez nią przeniknąć, nie ulegając zniszczeniu i nie burząc ściany. Takie zjawiska obserwuje się w skali atomowej. Ale prawdopodobieństwo, że cała piłka, składająca się z trylionów cząstek, przepłynie przez ścianę, jest praktycznie zerowe.

Co to wobec tego znaczy, że mechanika kwantowa przewiduje, że piłka może przez ścianę przeniknąć, skoro ona przez tę ścianę wcale nie przenika?

Teoria kwantów dopuszcza takie zjawisko, ale też określa szansę jego zajścia. Jest ona tak mała, bez porównania mniejsza niż wygrana w lotka, że można przyjąć, iż nikt z nas takiego dziwadła nigdy nie zaobserwuje.

A skąd się właściwie ta mechanika kwantowa wzięła? W jaki sposób odkryliśmy, że na najgłębszym poziomie rzeczywistość zachowuje się inaczej?

Jeszcze pod koniec XIX w. wydawało się, że ówczesna nauka daje spójny i kompletny obraz świata. Początek XX w. przyniósł dwie rewolucje – jedna doprowadziła do sformułowania przez Einsteina szczególnej i ogólnej teorii względności, druga do powstania mechaniki kwantowej. Sformułowanie jej praw – a ściślej równania Schrödingera – było konieczne, by wytłumaczyć wiele zjawisk zachodzących w skali atomowej i cząsteczkowej. Równanie to przewiduje, że cząstki, takie jak elektrony czy całe atomy, w pewnych okolicznościach zachowują się nie jak punktowe obiekty, czyli takie małe kropki, jak moglibyśmy je sobie wyobrażać. Wręcz przeciwnie: równanie to mówi, że elektron może być rozmytym obiektem zajmującym całe obszary w przestrzeni. Taki opis cząstek prowadzi do poprawnych, zgodnych z obserwacjami wyników, z drugiej strony jest problematyczny – bo jak to pogodzić z faktem, że za każdym razem, gdy obserwuję elektron, widzę pojedynczy punkcik, a nie rozmytą plamę, jak przewiduje równanie Schrödingera? Obecnie, w ramach wspomnianej interpretacji kopenhaskiej, tę rozbieżność tłumaczymy następująco: rozmyty obiekt, wynikający z równania Schrödingera, wyznacza miejsca, w których można znaleźć cząstkę. Innymi słowy, jeżeli z rozwiązania tego równania wynika, że elektron zajmuje całe wnętrze pokoju, w którym rozmawiamy, to należy to rozumieć tak, że istnieje możliwość znalezienia tej cząstki w całym pokoju. Ale tylko możliwość. To zaś, gdzie ją dokładnie znajdę – zależy od przypadku. Mechanika kwantowa, tak jak ją obecnie rozumiemy i jak jej nauczamy, wprowadza indeterminizm i losowość do naszego świata.

Elektron może być wszędzie, ale za każdym razem, kiedy ustalasz, gdzie dokładnie – jest w jakimś konkretnym miejscu, a nie w innych, tak?

Tak, bo elektron jest cząstką niepodzielną. Zatem gdy już go zaobserwujesz, widzisz punkcik. Zanim to uczynisz, opisujesz go tak, jakby był w wielu miejscach naraz. Stąd problem z interpretacją tego wyniku. Czy to możliwe, że przed pomiarem cząstka naprawdę jest w wielu miejscach? A może to obserwator ma wpływ na jej zachowanie i z wielu możliwych położeń jakoś losuje jedno? A może nie należy tego zgłębiać i zgodnie z zasadą „milcz i licz” traktować teorię kwantów wyłącznie jako narzędzie rachunkowe?

Obecność obserwatora działa jak wysięgnik w maszynie losującej Lotto – wybiera jeden z tych kłębiących się w pokoju niczym piłki w pojemniku elektronów i wydobywa go na powierzchnię?

Na to wygląda, a w każdym razie w ten sposób obecnie rozumiemy mechanikę kwantową. Prowadzi to do dramatycznych konsekwencji, co najlepiej obrazuje „paradoks” kota Schrödingera. By podkreślić dziwność teorii kwantów, Schrödinger rozważył następujący układ: zamknięty pokój, w którym znajduje się na początku żywy kot oraz butelka z trucizną, młotek, detektor promieniowania radioaktywnego i cząstka, która może ulec rozpadowi radioaktywnemu. Gdy dojdzie do rozpadu, detektor reaguje na to i puszcza młotek, który rozbija butelkę. Uwolnioniona trucizna zabija kota. Rzecz w tym, że mechanika kwantowa mówi, po jakim czasie, średnio, nastąpi rozpad radioaktywny. Ale jest to informacja statystyczna i nie wynika z niej, kiedy dokładnie nastąpi to zdarzenie. Póki nie zajrzysz do pokoju, nie będziesz wiedział, czy kot jeszcze żyje. W świecie rządzonym klasycznymi prawami przyrody przed zajrzeniem do pokoju powiesz: kot jest albo żywy, albo martwy, ale nie może być i taki, i taki jednocześnie. W świecie kwantowym jest inaczej – dopóki nie dokonasz pomiaru, czyli nie wejdziesz do pokoju sprawdzić, jak się ma sprawa z kotem, musisz opisywać go w taki sposób, jakby był naraz żywy i martwy. Mówimy, że kot znajduje się wówczas w stanie superpozycji – złożeniu dwóch przeciwstawnych możliwości. Stan superpozycji utrzymuje się do momentu, kiedy pojawi się obserwator, który spowoduje, że los kota staje się przesądzony.

Ale co to właściwie znaczy, że on jest martwy i żywy jednocześ­nie? Bardzo trudno coś takiego pojąć.

Przyznaję, że nie wiem, jak to rozumieć. Musimy podkreślić, że mechanika kwantowa nie mówi, jaki jest kot przed pomiarem. Ona tylko wymusza, byśmy go opisywali w taki sposób, jakby był w obu przeciwstawnych stanach równocześnie. Jaka jest rzeczywistość przed aktem obserwacji, tego nie wiemy.

Brzmi wręcz mistycznie! Czy wiadomo, co tak naprawdę jest czynnikiem, który powoduje, że akt obserwacji wytrąca obiekty ze stanu superpozycji? Czy jest to rodzaj oddziaływania niematerialnego – na przykład sam akt poznania rozumiany jako bezcielesny akt świadomości – czy też chodzi tutaj po prostu o to, że jak ktoś wchodzi do pokoju, to w tym pokoju zmienia się układ czynników fizycznych?

To, dlaczego akt obserwacji niszczy superpozycję, rozumiemy dobrze – jest to konsekwencja oddziaływania obiektów kwantowych z wszelkimi obiektami fizycznymi, czyli również nami jako obserwatorami. Można w ramach teorii kwantów pokazać, jak opis kota jako istoty żywej i martwej wskutek oddziaływania ze wszystkim, co go otacza, zmienia się w opis kota żywego albo martwego. Ale co sprawia, że na końcu urzeczywistnia się ta, a nie inna możliwość, tego nie wiadomo. Interpretacja kopenhaska przyjmuje jako postulat, że akt obserwacji wybiera jedną z możliwości losowo.

Rozumiem, że interpretacja kopenhaska, o której cały czas mówisz, to nie jest jedyny możliwy sposób ujmowania tych zjawisk?

Interpretacja kopenhaska jest najpowszechniej przyjmowaną i nauczaną wykładnią mechaniki kwantowej. Niemniej liczni badacze mają odmienne zdanie co do tego, jak rozumieć teorię kwantów. Szkopuł tkwi w tym, że przewidywania mechaniki kwantowej są statystyczne i nie mówią nic o przebiegu pojedynczego doświadczenia. Otwiera to pole do interpretacji właśnie, czyli do rozważań, jaki sens ma to statystyczne przewidywanie. Gdy pracownia społeczna podaje sondaże poparcia partii politycznych, prezentuje wynik statystyczny – tyle procent wyborców popiera partię X, tyle zaś Y. Za tymi procentami stoją konkretni ludzie, o określonych poglądach. Gdy teoria kwantów przewiduje, że kot jest w superpozycji żywy i martwy, prawdopodobieństwo znalezienia go w każdym z tych stanów wynosi zaś 50%, to nie wiadomo, jaki jest kot przed tym, gdy wejdziemy do pokoju. Interpretacja kopenhaska tego nie rozstrzyga, mówi tylko, że własności obiektów fizycznych stają się realne dopiero po pomiarze. Diametralnie inne podejście to interpretacja wielu światów, która głosi, że superpozycja jest realna: kot jest żywy i martwy naraz. Obserwując go, widzimy obie możliwości, lecz własności mózgu są takie, że współistnienia tych dwóch przeciwstawnych stanów nie jesteśmy świadomi. Wydaje się, że aby stwierdzić, które spojrzenie jest prawidłowe, potrzebujemy jeszcze ogólniejszej teorii, której mechanika kwantowa będzie częścią. Dopiero gdy określimy, jakie są ramy teorii kwantów, będziemy mieli szansę na jej jednoznaczne zinterpretowanie.

To jednak odróżnia fizykę od filozofii, że choć macie tu wiele interpretacji, to ostatecznie wyniki równań wychodzą takie same, niezależnie od tego, co się sądzi o roli obserwatora…

Bo przewidywania mechaniki kwantowej, takie jak prawdopodobieństwo powstawania cząsteczki w zderzeniach atomów albo jej energia, nie zależą od interpretacji. Mamy potężne narzędzie, za pomocą którego zmieniamy otaczający nas świat. Znajomość teorii kwantów pozwoliła nam zbudować lasery, tranzystory w każdym komputerze czy telefonie albo zegary atomowe, dzięki którym działa system GPS. Myślę, że przyszłość będzie kwantowa w znaczeniu wpływu technologii kwantowych na rozwój, a być może nawet przetrwanie naszego gatunku. Czerpiemy ze znajomości teorii kwantów, a spieramy się co do tego, jak ją interpretować…

No dobrze, ale może wobec tego cała ta losowość jest pozorna? Może jutro się okaże, że tak naprawdę działają tam pod spodem jakieś zrozumiałe szlaki przyczynowo-skutkowe? Wiesz, tysiące lat temu ludziom się wydawało, że jak uderza piorun, to bogowie się złoszczą, potem stopniowo doszliśmy do lepszej wykładni tego zjawiska. Za sto lat być może – kiedy technologia jeszcze bardziej się rozwinie – okaże się, że mechanika kwantowa wraz z całą teorią losowości i indeterminizmu to po prostu efekt niedoskonałości naszych przyrządów. Pod lepszymi mikroskopami, mówiąc ogólnie, zobaczymy, że – jak uczył Budda – każdy skutek ma swoją przyczynę.

Można wykazać, że losowości mechaniki kwantowej nie da się wytłumaczyć w klasyczny sposób. To znaczy nie sposób obronić twierdzenia, że prawdopodobieństwa pojawiające się w teorii kwantów są po prostu wynikiem naszej ignorancji. Większość z nas intuicyjnie przyjmuje tzw. realizm lokalny, pogląd, wedle którego obiekty istnieją naprawdę, mają obiektywne włas­ności, ich zachowanie zależy zaś od tego, co się dzieje wokół nich, czyli od zdarzeń lokalnych. Mechanika kwantowa jest sprzeczna z tymi postulatami. Na razie musimy przyjąć, że, w każdym razie na najniższym poziomie, światem do pewnego stopnia rządzi przypadek.

Dr hab. Jan Chwedeńczuk:

„Milczy i liczy” na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, w Instytucie Fizyki Teoretycznej. Szacuje dokładność pomiarów kwantowych, bada splątane bozony i inne ulotne zjawiska ze świata kwantów.