Fizycy nie mogą się dogadać. Wraca spór o mechanikę kwantową

Kot w pudełku. Czym jest mechanika kwantowa?

Czym w zasadzie jest mechanika kwantowa? W dużym skrócie mówimy tu o teorii fizycznej, która opowiada o ruchu pojedynczych cząstek elementarnych, takich jak atomy czy jony. Skala badanych obiektów i zjawisk jest tak mikroskopijna, że ciężko uniknąć pojęć abstrakcyjnych z punktu widzenia „przeciętnego Kowalskiego”. Zgodnie z mechaniką kwantową niektóre obiekty (fotony, elektrony) mogą być zarówno cząsteczkami, jak i falami – w zależności od sytuacji. Tę właściwość opisuje przypisywana kwantom funkcja falowa.

Inne założenie mechaniki kwantowej to tak zwana kwantowa superpozycja. Według niej mikroskopijne cząstki nie posiadają żadnych cech do momentu, w którym ich nie zaobserwujemy. Tę część teorii ukuł Erwin Schrödinger, który zilustrował ją słynną anegdotą o kocie. Zwierzę było jednocześnie żywe i martwe do momentu poczynienia obserwacji.

Tego typu abstrakcyjne założenia sprawiają, że w ramach środowiska naukowego istnieje wiele rozbieżności. Dotyczą one rozumienia nawet podstawowych pojęć z zakresu mechaniki kwantowej. W związku z tym czasopismo Nature przeprowadziło ankietę wśród ponad 1000 fizyków.

Spór o mechanikę kwantową. Jak dobrze opisuje rzeczywistość?

Największy podział przebiegał w kwestii wspomnianej wcześniej funkcji falowej – matematycznego opisu stanu kwantowego obiektu. Według 47 proc. badanych funkcja kwantowa jest tylko narzędziem matematycznym. Jako ludzie używamy go, aby przewidywać wyniki eksperymentów prowadzonych przez nas na płaszczyźnie kwantowej. Dla 36 proc. to reprezentacja faktycznej fizycznej rzeczywistości. Dzielą się oni na tych, którzy uważają, że funkcja falowa opisuje nasz świat częściowo (19 proc.), i na tych, którzy uważają, że robi to w sposób kompletny (17 proc.).

Powyższe wyniki pokazują, że spór w kwestii mechaniki kwantowej toczy się w zasadzie o to, czy mikroskopijny świat na płaszczyźnie kwantowej w ogóle istnieje. Jak opisuje Nature, podczas konferencji naukowej – zorganizowanej w lipcu z okazji stulecia teorii Heisenberga – Anton Zeilinger z Uniwersytetu Wiedeńskiego wygłosił kontrowersyjną tezę. „Nie ma świata kwantowego” – stwierdził naukowiec. Argumentował, że stany kwantowe istnieją tylko w jego głowie i opisują informacje, a nie rzeczywistość. Nie zgodził się z tym chociażby Alain Aspect, francuski fizyk i laureat Nagrody Nobla z 2022 roku. Jak widać, spór naukowców w tej kwestii dotyczy nie tyle samych wyników badań czy metodologii. Opiera się raczej na tym, czy w ogóle możemy opisać kwanty w sposób rzetelny i jaka jest natura tych opisów.

„Zamknij się i licz”. W czym tkwi problem?

Inne pytanie zadane przez Nature dotyczyło tego, czy istnieje jasna granica między obiektami badanymi przez fizykę klasyczną i tymi kwantowymi. W tym przypadku 5 proc. respondentów twierdzi, że istnieje i jest ona dość twarda, 40 proc. z kolei określa ją jako nieostrą. 45 proc. badanych uważa zaś, że taka granica nie istnieje.

Podejście do mechaniki kwantowej zdradza, jaki jest pogląd badacza na istnienie mikroskopijnych cząsteczek. Na łamach Nature wyniki badania skomentował Renato Renner, fizyk ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu. Choć sam zajmuje się badaniem kwantów w bardziej pogłębiony sposób, nie dziwi go podejście czysto matematyczne. Inny badacz, Amerykanin David Mermin, użył określenia „zamknij się i licz”. Jak twierdzi Szwajcar, charakteryzuje ono przede wszystkim osoby, które biorą na warsztat obliczenia z zakresu mechaniki kwantowej bez jej głębszego zrozumienia. „Nie ma nic złego w robieniu wyłącznie kalkulacji” – mówi Renner. „Gdyby wszyscy byli jak ja, nie mielibyśmy komputera kwantowego” – podkreśla.

Spór naukowców o mechanikę kwantową trwa i najpewniej nigdy go nie rozwiążemy. Werner Heisenberg otworzył 100 lat temu kwantową puszkę Pandory. Wypełzł z niej świat tak abstrakcyjny, że badacze nie mogą zgodzić się co do tego, czy w ogóle są w stanie go sensownie opisać.

Warto przeczytać: Teleportacja kwantowa na kablach. Uczeni użyli światłowodów