1
2
3
4
|
Chad Orzel |
Przedmowa: Dlaczego rozmawiać z psem o fizyce? Wprowadzenie do fizyki kwantowej
Towarzystwo Dobroczynne Mohawk-Hudson zajmujące się opieką nad bezdomnymi zwierzętami przygotowało małą ścieżkę przez las w pobliżu ich siedziby pod Troy, tak że osoby zdecydowane przygarnąć psa mogą pójść na spacer z wybranym zwierzakiem. Obok ścieżki przy małej polance stoi ławka, i tam usiadłem, aby popatrzeć na swoją nową towarzyszkę.
Suczka położyła się obok ławki i szturchnęła nosem moją rękę, więc podrapałem ją za uszami. Razem z żoną obejrzeliśmy już psy, ale Kate musiała iść do pracy, wybór zatem spadł na mnie. Chyba dobrze zrobiłem.
Ona jest jednorocznym mieszańcem. Owczarek niemiecki i coś jeszcze. Ma klasyczne czarno-jasnobrązowe ubarwienie, ale jest za mała na owczarka i zwisają jej uszy. Tabliczka na drzwiach jej budy informowała, że nazywa się Księżniczka, ale to imię wydawało mi się pretensjonalne.
– Co myślisz, mała? – spytałem. – Jak mamy cię wołać?
– Mówcie na mnie Emmy! – szczeknęła.
– Dlaczego?
– Bo to jest moje imię, głupku.
Jeszcze żaden pies nie nazwał mnie głupkiem, ale uznałem, że ma rację.
– Dobrze, nie mogę się o to spierać. Czy chcesz zamieszkać z nami?
– No, to zależy – mruknęła. – Można u was polatać?
– Co proszę?
– Lubię ganiać, polować. Czy będzie tam coś, na co bym mogła polować?
– Jasne. Mamy spory ogród i jest tam mnóstwo ptaków i wiewiórek, a niekiedy zaglądają króliki.
– Oooch! Lubię króliki! – Zamerdała ogonem uszczęśliwiona. – Jak ze spacerami? Czy będziemy chodzić na długie spacery?
– Oczywiście.
– A smakołyki? Lubię smakołyki.
– Dostaniesz smakołyki, jeżeli okażesz się dobrym psem.
Wyglądała na nieco obrażoną. – Ja jestem bardzo dobrym psem. Będziesz mi dawał smakołyki. Z czego żyjesz?
– Co? Kto kogo tu ocenia?
– Muszę wiedzieć, czy zasługujesz na psa tak dobrego jak ja. – Jej imię – Księżniczka – było może bardziej stosowne, niż myślałem. – No więc gdzie pracujesz?
– Moja żona Kate jest prawnikiem, a ja – profesorem fizyki w Union College, w Schenectady. Wykładam i prowadzę badania w zakresie fizyki atomowej i optyki kwantowej.
– Jakiej optyki?
– Optyki kwantowej. W szerokim ujęciu są to badania interakcji między światłem i atomami, w sytuacji gdy musimy opisać część z nich za pomocą fizyki kwantowej.
– To wygląda na coś skomplikowanego.
– Tak jest, ale to fascynujące sprawy. Fizyka kwantowa ma wszelkiego rodzaju dziwne i cudowne własności. Cząstki zachowują się jak fale, a fale jak cząstki. Własności cząstki są nieokreślone, dopóki ich nie zmierzysz. Pusta przestrzeń jest pełna cząstek wirtualnych pchających się do życia i uciekających. To jest naprawdę coś.
– Hmmm... – wyglądała na zamyśloną, wtem oznajmiła: – Ostatnia próba.
– Co takiego?
– Podrap mnie po brzuchu. – Przekręciła się na grzbiet, a ja schyliłem się, aby podrapać ją po brzuchu. Może po minucie pieszczot wstała, otrząsnęła się i powiedziała: – Dobrze, nadajesz się. Chodźmy do domu.
Skierowaliśmy się z powrotem do biura schroniska, aby wypełnić formularze. Po drodze moja nowa towarzyszka rzuciła: – Hm, fizyka kwantowa? Będę musiała się trochę tego nauczyć.
– Dobrze, chętnie ci to kiedyś wyjaśnię.
Podobnie jak wielu właścicieli psów, spędziłem mnóstwo czasu na rozmowach z Emmy. Większość naszych konwersacji jest dosyć typowa – nie jedz tego, nie wspinaj się na meble, chodźmy na spacer. Jednakże czasami gadaliśmy o fizyce kwantowej.
Dlaczego rozmawiam z psem o fizyce kwantowej?
No cóż, to moja praca i źródło utrzymania – jestem profesorem fizyki w szkole wyższej. W rezultacie spędzam mnóstwo czasu na rozmyślaniach o fizyce kwantowej.
Co to jest fizyka kwantowa? Stanowi ona część „nowoczesnej fizyki”, czyli opartej na prawach odkrytych około roku 1900 i później. Prawa i zasady fizyki odkryte mniej więcej przed rokiem 1900 są uważane za fizykę „klasyczną”.
Fizyka klasyczna to fizyka zwykłych obiektów – takich jak piłki tenisowe, piszczące zabawki, piecyki i kostki lodu, magnesy i uzwojenia elektryczne. Klasyczne prawa mechaniki rządzą ruchami wszelkich przedmiotów dość dużych, aby można je było zobaczyć gołym okiem. Klasyczna termodynamika wyjaśnia fizykę ogrzewania i chłodzenia obiektów oraz działanie silników i chłodziarek. Klasyczny elektromagnetyzm zaś tłumaczy działanie żarówek, radia i magnesów.
Nowoczesna fizyka opisuje dziwny świat, który możemy zobaczyć, wykraczając poza codzienność. Ten świat po raz pierwszy ukazał się w przeprowadzonych pod koniec XIX wieku i na początku XX wieku doświadczeniach, których nie można było wyjaśnić na podstawie klasycznych praw fizyki.
Nowoczesna fizyka dzieli się na dwie dziedziny, każda z nich reprezentuje radykalny odskok od klasycznych zasad. Jedna część, relatywistyka, zajmuje się obiektami, które poruszają się bardzo szybko albo są pod działaniem dużych sił grawitacyjnych. Albert Einstein wprowadził relatywistykę w roku 1905, i jest to fascynujący dział, rządzący się własnymi prawami, ale poza zakresem tej książki.
Druga dziedzina nowoczesnej fizyki to temat moich rozmów z psem.
Fizyka kwantowa albo mechanika kwantowa to nazwa nadana części nowoczesnej fizyki zajmującej się światłem i tym, co bardzo małe – molekułami, pojedynczymi atomami i cząstkami elementarnymi. Max Planck zaproponował słowo „kwant” w roku 1900, a Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za przedstawienie pierwszej kwantowej teorii światła . Kompletną teorię mechaniki kwantowej rozwinięto w ciągu mniej więcej następnych trzydziestu lat.
Uczonych, którzy stworzyli tę teorię, począwszy od wczesnych pionierów, takich jak Planck i Niels Bohr (twórca pierwszego kwantowego modelu atomu wodoru), do późniejszych wizjonerów, takich jak Richard Feynman i Julian Schwinger, niezależnie pracujących nad tym, co teraz nazywamy elektrodynamiką kwantową (QED), słusznie uważa się za tytanów fizyki. Niektóre elementy teorii kwantowej nawet uciekły z dziedziny ścisłej fizyki i zawładnęły powszechną wyobraźnią, tak jak zasada nieoznaczoności Wernera Heisenberga, paradoks kota Erwina Schrödingera oraz wszechświaty równoległe z interpretacji wieloświatowej Hugh Everetta.
Nowoczesne życie byłoby niemożliwe bez mechaniki kwantowej. Bez zrozumienia kwantowej natury elektronu nie można by skonstruować półprzewodnikowych układów scalonych, które pracują w naszych komputerach. Bez zrozumienia kwantowej natury światła i atomów nie dałoby się zbudować laserów używanych do przesyłania informacji przez światłowodowe linie komunikacyjne.
Wpływ teorii kwantowej na naukę wykracza poza jedynie praktyczne zagadnienia – zmuszając fizyków do zmagania się z zagadnieniami filozoficznymi. Fizyka kwantowa ustanawia granice tego, co możemy wiedzieć o wszechświecie oraz o właściwościach obiektów doń należących. Mechanika kwantowa zmienia nawet nasze rozumienie tego, co to znaczy wykonać pomiar. Wymaga to gruntownego przemyślenia natury rzeczywistości na najbardziej fundamentalnym poziomie.
Mechanika kwantowa opisuje całkowicie dziwaczny świat, w którym nic nie jest pewne, a obiekty nie mają określonych własności, dopóki się ich nie zmierzy. To świat, w którym odległe obiekty są w niepojęty sposób ze sobą połączone, w którym oprócz naszego istnieją całe wszechświaty o różnych historiach, a „cząstki wirtualne” pojawiają się i znikają, kończąc egzystencję w pustej poza tym przestrzeni.
Fizyka kwantowa może sprawiać wrażenie fantastyki naukowej, ale jest to prawdziwa nauka. Świat opisany w teorii kwantowej to nasz własny, w mikroskopowej skali . Dziwne efekty przepowiedziane przez fizykę kwantową są rzeczywiste, z rzeczywistymi konsekwencjami i zastosowaniami. Teorię kwantową sprawdzano do niewiarygodnego poziomu dokładności, co uczyniło ją najbardziej dokładnie przetestowaną teorią w historii teorii naukowych. Nawet najdziwaczniejsze z jej przewidywań zostały sprawdzone doświadczalnie (jak to zobaczymy w rozdziałach 7, 8 oraz 9).
Co to jednak ma wspólnego z psami?
Psy mają lepsze podejście do fizyki kwantowej niż większość ludzi. Nie żywią bowiem takich uprzedzeń wobec świata jak ludzie i zawsze oczekują niespodziewanego. Pies może chodzić tą samą ulicą codziennie przez rok i każdego dnia będzie to dla niego nowe doświadczenie. Każdy kamień, każdy krzak i każde drzewo zostaną obwąchane, tak jakby pies nigdy przedtem ich nie obwąchiwał.
Jeżeli psi smakołyk pojawi się w pustej przestrzeni na środku kuchni, to człowiek zgłupieje, a pies spokojnie podejdzie. Faktycznie, dla większości psów spontaniczne pojawianie się smakołyków będzie oznaczało potwierdzenie słusznych oczekiwań – one zawsze oczekują pojawiania się smakołyków, w każdym momencie, bez oczywistych powodów.
Mechanika kwantowa wydaje się ludziom zdumiewająca i kłopotliwa, ponieważ koliduje z naszymi zdroworozsądkowymi oczekiwaniami co do tego, jak działa świat. Psy mają zaś znacznie bardziej otwarte nastawienie. Nasz codzienny świat jest dziwnym i cudownym miejscem dla psa, a przewidywania teorii kwantowej nie wydają mu się bardziej dziwne i wspaniałe niż, powiedzmy, działanie klamki .
Dyskusje o mechanice kwantowej z moim psem są użyteczne, ponieważ pomagają mi dostrzec, jak dyskutować o mechanice kwantowej z ludźmi. Aby pojąć mechanikę kwantową, warto nauczyć się myśleć tak jak pies. Jeżeli ktoś potrafi popatrzeć na świat tak, jak czynią to psy, jako na niewyczerpane źródło niespodzianek i cudów, to mechanika kwantowa okaże się znacznie bardziej przystępna.
Książka ta zawiera serię rozmów o fizyce kwantowej z moim psem. Po każdej rozmowie zamieściłem szczegółowe omówienie związanych z nią problemów fizycznych, skierowane do zainteresowanych czytelników. Zakres tematów sięga od idei, o których pewnie każdy słyszał, takich jak dualność falowo-korpuskularna (rozdział 1) i zasada nieoznaczoności (rozdział 2), do nieco bardziej zaawansowanych teorii cząstek wirtualnych i QED (rozdział 9). Objaśnienia obejmują zarówno dziwaczne przewidywania teorii (praktyczne i filozoficzne), jak i doświadczenia, które demonstrują potwierdzenie tych przewidywań. Zostały one wybrane tak, aby mogły zainteresować psa, ale także tak, aby zilustrować zagadnienia, które zaskakują ludzi.
– No nie wiem. Myślę że potrzeba tu... więcej.
– Więcej czego?
– Więcej o mnie. Nie mówisz tu wcale, że jestem wyjątkowo inteligentnym psem.
– Dobrze, dobrze.
– Oraz wyjątkowo fajnym.
– Na pewno, ale...
– I nie zapomnij, że dobrym. Jestem znacznie lepsza niż inne psy.
– Zrozum, to naprawdę jest książka o fizyce, a nie o tobie.
– Ależ powinno być więcej o mnie, mam tyle do powiedzenia!
– To nie będzie i musisz się z tym pogodzić.
– Trudno. Muszę ci jednak pomóc z tą fizyką.
– Co masz na myśli?
– To, że czasem przeskakujesz na inny temat i nie odpowiadasz na wszystkie moje pytania. Nie powinieneś tak robić.
– To znaczy jak? Podaj mi jakiś przykład.
– Mhm... Nie mogę sobie teraz przypomnieć, ale jeżeli przeczytasz mi tekst, to myślę, że znajdę takie miejsca.
– Dobrze, to brzmi rozsądnie. Przejrzymy więc książkę razem i jeżeli są tam miejsca, do których masz uwagi, to porozmawiamy o tym, i wstawię twoje komentarze do książki.
– Porozmawiamy o tym tak jak teraz.
– Oczywiście.
– Na pewno dodasz nasze rozmowy do książki?
– Obiecuję.
– W takim razie nie zapomnij dodać, że jestem absolutnie najlepsza i że jestem fajna, i że powinnam dostawać więcej smakołyków, i że...
– OK, na razie wystarczy.
– Na razie.
(…)
1. Wyrażenia „fizyka kwantowa”, „teoria kwantowa” oraz „mechanika kwantowa” są mniej więcej zamienne.
2. Niczego nie ujmując odkryciu teorii względności, muszę przypomnieć, że Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za teorię kwantową efektu fotoelektrycznego.
3. Określenie „mikroskopowy” dla fizyków oznacza coś zbyt małego, aby zobaczyć to gołym okiem. Obiekty mikroskopowe mieszczą się w zbiorze obejmującym zakres od bakterii do atomu i elektronów. To bardzo szeroki zakres wielkości, ale fizycy uznali, że mylące byłoby używanie więcej niż jednego słowa na określenie czegoś naprawdę małego.
4. Która niewątpliwie przestrzega klasycznych zasad, ale niestety wymaga przeciwstawnego kciuka, aby zadziałać.