Adam Cebula	Para, nauka i obok
	strona 22

W koło na kwantowo

Do tego, o co chodzi w mechanice kwantowej, powracam z różnych powodów co jakiś czas. Tym razem wina nie leży po mojej stronie.

Spory kawałek czasu temu ktoś na liście dyskusyjnej poprosił mnie napisanie czegoś na temat złamania zasady przyczynowości w mechanice kwantowej. Muszę się tu przyznać, że akurat w tej materii po prostu się kiepsko orientuję, jednak jest to znowu dobry pretekst, by małe co nieco o samej mechanice na pewno napisać. Zacznijmy od tego, po co w ogóle fizyka i o co ludziom zajmującym się tą nadzwyczaj podstawową dziedziną wiedzy chodzi. Z pozoru wiadomo: chodzi o poznanie najbardziej elementarnych zjawisk rządzących naszym światem.

Osobiście głoszę może rebelianckie i odosobnione poglądy, a na pewno minimalistyczne, że chodzi najbardziej o umiejętność przewidywania wyników eksperymentów. Oczywiście, że staramy się wyjaśnić i zrozumieć, ale to bardzo ambitny program. Próbujemy, moim zdaniem, stworzyć sposoby na przewidywanie wyników naszych działań. Niekoniecznie oznacza to jakieś zrozumienie. Mówiąc trochę inaczej, poszukuje się często formalnych metod. Co to oznacza?

Zazwyczaj budowany jest tak zwany model zjawiska. Oczywiście, jest on wyrażany w języku matematyki. Formalny model powinien pozwalać na zrozumienie, ale nie musi. Wymagana jest jednak pewna "kompatybilność" z wynikami doświadczalnymi. Coś powinno się zgadzać. Przykładem formalnego podejścia jest ruch punktu materialnego. Wiadomo, że "nic takiego" nie istnieje, jednak rozpatruje się "coś takiego", gdy chcemy obliczyć drogi planet w układzie słonecznym. Jest to całkiem dobry, a dobry, to oznacza skuteczny, pomysł, by w obliczeniach pominąć rozmiary nie tylko Ziemi ale i innych, nawet wielkich planet, Jowisza i Saturna. Potraktować je jako punkty o zadanych masach. Bez tego zabiegu można utopić się w obliczeniach, wypadałoby bowiem wyznaczać ruch każdego fragmentu planety z osobna, następnie oddziaływanie ich ze sobą. Że takie podejście, to nie jest abstrakcja, możemy się przekonać, patrząc na Saturna: jego pierścienie są wynikiem tego właśnie, że coś, co krążyło wokół niego, nie dało się potraktować jako punkt materialny i fragmenty poszły swoimi drogami.

Tak więc punkt materialny to w przybliżeniu swego rodzaju oszustwo, które pozwala się nam wyplątać z problemów, jakie nam narzuca natura. Nawet mechanika Newtona, jak dziś wiemy, jest naciąganiem. Według bowiem naszej najlepszej wiedzy, ścisła jest mechanika wg Einsteina, ale uwzględnianie poprawek relatywistycznych dla ruchu łódki w górę i w dół rzeki nie ma większego sensu. Tylko dlatego, że wyniki obliczeń są pomijalnie dla danego zastosowania, łódki liczymy klasycznie, zaś tory cząstek w akceleratorach relatywistycznie, bo bez poprawki nie trafimy w próbkę.

Ot, to takie zwalenie fizyki z filozoficznego piedestału. Owszem, nauka o wszystkim bardzo solidna, ale jej celem jest chyba o wiele bardziej, jak sobie poradzić, niż zdobyć tak zwaną prawdę, zwłaszcza prawdę ostateczną.

Mechanika kwantowa wzięła się potrzeby poradzenia sobie ze zjawiskami, jakie realnie obserwowano w laboratoriach. Z kilku zjawisk, które w końcu XIX wieku były dla badaczy kłopotem, chyba najbardziej dziś do wyobraźni przemawia problem widm atomowych. Aby rzecz sprowadzić nieco na ziemię, kilka szczegółów technicznych. Otóż od dawna wiedziano, że pryzmat rozczepia światło. Gdy rzucimy na niego wąską (dość ważne jest to, by świecić przez wąską szczelinę) strugę światła ze słońca lub na przykład ze świecy, to za pryzmatem zobaczymy charakterystyczną tęczę. Można światło rzucić na ekran, można popatrzyć gołym okiem albo przez specjalną lunetkę.

Kiedy jednak zaświecimy za pomocą wyładowania elektrycznego rozrzedzony gaz w specjalnej rurce, to zobaczymy szereg kolorowych obrazów szczeliny. Jeśli ów gaz będzie pod odpowiednim ciśnieniem, to obrazy będą całkowicie monochromatyczne (w jednym kolorze) i bez żadnego rozmycia.

Dziś ten eksperyment jest opanowany koncertowo, bo stanowi on podstawę bardzo szeroko stosowanej metody analizy składu chemicznego zwanej analizą spektralną. Jednak ponad sto lat temu nie było to proste. Zazwyczaj w popularnych opisach pomija się sprawę owego niskiego ciśnienia, tymczasem jest to bardzo istotna sprawa. Otóż wynosi ono od 1/100 do 1/1000 ciśnienia atmosferycznego. Gaz świeci na skutek przepływu prądu elektrycznego, dziś wiemy dość dokładnie dlaczego. Kiedy robiono te eksperymenty, nie wiedziano tak naprawdę, co się dzieje. Jedno było dość oczywiste: atomy (cząsteczki) nie oddziałują ze sobą. Wiedziano, że atomy są, ale co to jest, jak to zbudowano, nie bardzo.

Efekt obserwacji w takich warunkach prowadził do takiego wniosku: pierwiastki w warunkach znacznego rozrzedzenia, wysyłają charakterystyczne serie długości fal świetlnych. Układają się one w pewne szeregi i są ściśle określone. Można spokojnie rozpoznawać skład chemiczny próbki na podstawie widma światła, jakie ona wysyła. Dość szybko badacze zdali sobie sprawę z tego, że jest to bardzo podstawowa, sztywna własność materii odporna na wszelkie zabiegi. Jeśli zwiększamy ciśnienie, następuje rozmycie niektórych termów (czyli obrazów szczelin), jednak gdy ciśnienie spadnie, wszystko wraca do pierwotnego stanu.

Wniosek z tego, że widmo niesie informację o budowie atomów. Pierwszym poprawnym, czyli dającym zgodność z eksperymentem, był model atomu Bohra. Naucza się go w szkole. Drobiazg: da się go zrozumieć, ale jest nieprawdziwy.

Model ten zakłada, że elektrony mogą się poruszać po orbitach zadanych przez dziwne operacje z matematyczne z udziałem liczb naturalnych całkowitych. Elektron odkrył w 1897 J.J. Thompson. Za datę powstania modelu Bohra przyjmuje się rok 1913. W skali historycznej było to ekspresowe tempo postępu naukowego, które może dziś nam nie imponuje, ale na przestrzeni zaledwie 20 lat dokonała się dramatyczna rewolucja poglądów. Trzeba sobie uzmysłowić, że są to czasy, w których wielu uczonych uważa jeszcze sam atom za wygodny wybieg formalny pozwalający na przewidywanie wyników eksperymentu. Nie za byt faktycznie istniejący.

Odkryty elektron, który miałby krążyć wokół dodatnio naładowanego jądra, był kolejnym nieszczęściem dla fizyki, albowiem zgodnie z wszelkimi dotychczasowymi eksperymentami ładunek, który porusza się z przyspieszeniem czyli także po krzywym torze, emituje fale elektromagnetyczne. Elektron powinien intensywnie zaświecić i w czasie ułamków nanosekund spaść na jądro atomu. Bohr zaproponował, że z jakichś powodów pewne obity są dozwolone. Spełniają dziwny warunek, moment pędu elektronu na nich jest całkowitą wielokrotnością stałej Plancka

h = 6,62491*10e-34 J*s

podzielonej przez dwa pi.

Ta reguła dała dobre rezultaty w odniesieniu do atomu wodoru. W 1915 roku reguły kwantowania Arnold Somerfeld uogólnił na przypadek torów eliptycznych.

Taka teoria działania atomu przypomina sytuację, gdy do pokera siada gracz, który raz chce grać uczciwie, a raz wyciąga z rękawa asa i zmusza pozostałych uczestników, by respektowali jego fanaberie. Sprawy się bowiem mają tak, że raz elektron nie promieniuje, gdy porusza się po tych wyróżnionych orbitach, innym razem, gdy przeskakuje z jednej na drugą i porusza się, jak mówimy w obszarze zabronionym, grzecznie chce się dostosować do zasad elektrodynamiki i wysyła fale elektromagnetyczne.

Prawdziwa masakra dla zdrowego rozsądku miała się dopiero zacząć. W 1925 roku de Broglie opublikował "kilka pomysłów" (określenie zaczerpnąłem z książki Bronisława Średniawy Mechanika kwantowa, rzeczywiście filuterność adekwatna do sytuacji). Jednym z nich były tak zwane fale materii. Proszę przynajmniej przez chwilę nie pytać, co to jest. Chodzi o to, że gdy sobie leci kamień, to związana z nim jest fala o długości l=h/(m*v). Dla cegły o masie 1 kg (to nie jest typowa cegła) i prędkości 1 metra na sekundę, ta fala ma długość rzędu 10 do minus 34 metra. Nie da się jej zauważyć. Jednak dla obiektów bardzo małych, takich jak elektrony, przyjmie wartości, które mogą się objawić w eksperymencie. No i zaobserwowano dyfrakcję elektronów na kryształach.

De Broglie wskazał na drogę do znalezienia brakującej teorii opisującej zachowanie mikroświata, przypominając tak zwaną analogię Hamiltona. Otóż optyka geometryczna ośrodków ciągłych (o ciągłej zmianie współczynnika załamania) przypomina mechanikę klasyczną. Optyka geometryczna jest granicznym przypadkiem optyki falowej, gdy rozmiary układu są bardzo wielkie w porównaniu z długością fali światła. Idąc w drugą stronę, należy od mechaniki klasycznej dojść do mechaniki falowej.

W 1926 roku E Schrödinger sformułował swe równanie, dostaliśmy czego chcieliśmy, czyli falową mechanikę. O ile fale de Broglie są "diabli wiedzą czym" to funkcja falowa, jest już zupełnym szaleństwem. Jest to mniej więcej tak: z każdym fizycznym obiektem możemy związać funkcję falową. Jest to coś, co stanowi punkt wyjścia do wyłuskania jakichś wielkości pomiarowych, czyli obserwabli. Tak na przykład z naszą cegłą zwiążemy funkcję w postaci fali płaskiej. Tak naprawdę, realnie otrzymamy paczkę falową i to dość dokładnie odpowiadającą kształtowi cegły (nawet piekielnie dokładnie), ale, gdyby cegła poruszała się daleko w kosmosie ruchem jednostajnym prostoliniowym, to uczciwie reprezentowana jest przez falę płaską. Jeśli chcemy wyrwać z tejże funkcji wiedzę na temat energii kinetycznej cegły, to stosujemy specjalny przepis zwany operatorem energii. Jeśli chcemy się dowiedzieć, gdzie jest, to stosujemy przepis zwany operatorem położenia.

Drobiazg, na który Albert Einstein nie zgodził się do końca życia: wygląda na to, że jednak Pan Bóg gra w kości. Operatory zwracają tylko prawdopodobne wartości obserwabli. Oznacza to tyle, że cegłę w wyliczonym miejscu można zaobserwować tylko z pewnym prawdopodobieństwem.

Sir Penrose w Cieniach umysłu pisze coś takiego "Nie chcę przez to powiedzieć, że rzeczywiście istnieje fizyczna granica oddzielająca poziom praw kwantowych oraz poziom klasycznie dostrzegalnych zjawisk, ale tymczasowo warto sobie wyobrazić, że taka granica istnieje [ ... ]"

Dodajmy do tego takie spostrzeżenie: nie ma za bardzo sensu pytanie "w jakim punkcie znajduje się fala?". Fala rozchodzi się, ma kierunek, w którym biegnie, długość, prędkość, ale nie bardzo gdziekolwiek jest. Gwoli ścisłości, zawsze prawie obserwujemy paczki falowe. To coś jest sumą bardzo wielu sinusoid, albo bardziej uczciwie to coś daje się rozłożyć na bardzo wiele sinusoid. Paczka falowa na skutek tego nie ma za dokładnie określonej częstotliwości. Może to, co mówię, brzmi mętnie, ale gdy wystartujemy od czystej sinusoidy na przykład ułożonej ze sznurka ułożonego na równej desce z podziałką centymetrową wzdłuż, baaardzo długiej, i zechcemy zrobić z niej coś krótkiego, to musimy pogiąć początkowe idealne falki. Na skutek gięcia zmienią się położenia maksimów, względem tej podziałki na desce. Im mniej pogięta sinusoida, tym dokładniej znamy jej długość. Ten czysto geometryczny efekt znacznie łatwiej pokazać na fali trójkątnej.

Funkcja falowa dla lecącej w kosmosie cegły ma częstość według wzoru De Broglie. Jeśli chcemy znać bardzo dokładnie jej prędkość, to otrzymamy śliczną sinusoidę. Jednocześnie operator położenia, czyli przepis na wyciągnięcie z funkcji falowej wiadomości, gdzie jest cegła, ma postać modułu (funkcja falowa jest funkcją zespoloną, chodzi o wyliczenie modułu liczby zespolonej).

Oznacza to tyle, że zgodnie z naszym przepisem na opisanie rzeczy na tym łez padole, im dokładniej wiemy, jak szybko leci, tym mniej wiemy, gdzie jest. Otóż buntuje się nasze doświadczenie, bo, kurczę, cegła porusza się z prędkością v i po chwili t przebędzie dokładnie drogę v*t czyli wiemy DOKŁADNIE, gdzie jest.

No i tu jest potrzebne nam to stwierdzenie sir Penrose (jemu było potrzebne do czego innego). Ano, gdy myślimy o cegle, myślimy o obiekcie klasycznym. Nie ma sensu zastanawianie się nad tym, "gdzie jest cegła", bo wszelkie eksperymenty, jakie z nią dokonujemy dają wyniki różniące się piekielnie od tego, co zaczyna grać rolę w mechanice kwantowej. Możemy jednak doprowadzić do tego, że w makroświecie ujawnią się parametry kwantowe. Musimy jednak odejść od warunków klasycznych "dostatecznie daleko".

Otóż gdy myślimy o cegle i jej położeniu, gdy upieramy się, że po chwili t przebędzie ona drogę v*t, to myślimy o pewnym konkretnym eksperymencie. Cegła i owszem, biegnie sobie swobodnie w przestrzeni. Wiemy, gdzie jest, bo nasza przestrzeń jest oświetlona. Kwanty światła (jeszcze nie wiemy co to jest, ale wiemy, że cóś takiego biega) nieustannie ją bombardują, i wracają do naszego oka z informacją "jest tu, jest dalej, jeszcze dalej". W ten sposób myślimy o torze cząstki. Tor istnieje jako efekt ciągłego pomiaru. W ten sposób myślimy o przemieszczaniu się cząstki. Przemieszczanie się to także efekt ciągłego pomiaru.

Co się jednak stanie, gdy wyłączymy światło? Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku cząstek elementarnych. Są zbyt małe, by powodowały odbijanie kwantów światła. Możemy oczywiście rejestrować ich tor za pomocą sprytnych urządzeń, jak komora pęcherzykowa, ale... no właśnie. Jeśli interesuje nas ruch cząstki, która nie oddziałuje z otoczeniem?

Ot, taka niespodzianka: w mechanice kwantowej pytanie o realny tor cząstki traci sens. Filozofowie wymyślili, że jest to tak zwane pytanie nieuprawnione, ale dowcip polega na tym, że gdy wystrzelimy elektron z działa elektronowego, to pytanie, jaki on zakreśla tor, nie ma praktycznego znaczenia. Jeśli zechcemy sprawdzić, gdzie jest, to musimy na przykład palnąć w niego fotonem. Po zderzeniu tor ruchu elektronu całkowicie się zmieni. Możemy tak naprawdę zarejestrować tylko fakt dotarcia naszego elektronu do konkretnego miejsca.

Aby było jeszcze trudniej, owszem można i trzeba myśleć o konkretnych torach, lecz potrzebne jest to do obliczeń. Można powiedzieć, że istnieje coś takiego jak średni tor wielu elektronów.

Różnica pomiędzy cegłą a elektronem poniekąd polega na tym, że cegła jest cholernie wielka, a elektron mały. Ale nie tylko. Współcześnie produkuje się coś takiego jak kondensaty Bosego-Einsteina. Bose to także fizyk, tylko mniej znany. Więc te kondensaty, to kupki oziębionych bardzo starannie atomów. Mimo tego, że to już całkiem spore obiekty, zupełnie makroskopowe, zachowują się właśnie kwantowo.

Jednym z bodaj najbardziej zaskakujących efektów mechaniki falowej jest to, że obiekty potrafią przebywać we wzajemnie wykluczających się stanach. O co chodzi? Powszechnie jest znane zjawisko interferencji światła na dwu szczelinach. Rezultatem jest układ charakterystycznych prążków. Pewnie nie będzie znowu wielkim zaskoczeniem, że podobny efekt można uzyskać, przepuszczając przez dwie szczeliny elektrony. Jeśli jednak spróbujemy tej samej sztuki, powiedzmy, ze śrutem wystrzeliwanym z dubeltówki, to o ile nasze szczeliny wytrzymają, nie będzie żadnych prążków, na ekranie czy tarczy zobaczymy dwa rozmyte obrazy szczelin. Kiedy jednak zaczniemy strzelać piekielnie schłodzonym śrutem, takim, że przejdzie on w stan owego kondensatu, to znowu zjawią się prążki.

Sprawa poniekąd się wiąże z nieszczęsnym kotem Schrödingera. Śrut w stanie normalnej temperatury składa się z atomów ołowiu hulających w sieci krystalicznej każdy po swojemu. Konsekwencja tego jest taka, że każdy atom ma swój indywidualny stan kwantowy. Przypisujemy mu indywidualną funkcję falową. Ruch całej śruciny jest średnią z tych funkcji. A średnia to właśnie wielkość makroskopowa, czyli taka, jaką obserwujemy "normalnie". Kiedy jednak atomy schłodzimy dostatecznie (bardzo, bardzo blisko zera bezwzględnego) może się zdarzyć, że "spadną" one do jednego stanu. Wówczas mamy tylko jedną funkcję falową, a z jednego pomiaru nie da się wyliczyć średniej, więc będzie nienormalnie, zupełnie kwantowo. Mętnie to tłumaczę, zostawmy zrozumienie, popatrzmy, co się dzieje. Skoro pojawiają się prążki przy przechodzeniu śrutu przez szczelinę, oznacza to, że zachowuje się on jak fala.

Nieco bardziej zwariowana interpretacja jest taka, że naprawdę śrucina przechodzi przez obie szczeliny jednocześnie. Inaczej mówiąc: jeden śrut znajduje się w dwu miejscach naraz. Jesteśmy przyzwyczajeni, że taka sztuka jest całkowicie niemożliwa, przecząca logice. Nie szkodzi, tak wynika z doświadczenia. Tak właśnie zrodziła się sprawa tego kota, żywego i martwego jednocześnie, po czym były protesty i rzecz złagodzono do przypadku kota głodnego i nakarmionego. Kota zostawiłbym w spokoju, albowiem kot w rzeczy samej jest obserwablą, przynajmniej kot, jakiego widzimy, i kot, o jakim myślimy. Prawdziwa, kwantowa natura kota domowego i owszem nie raz mi się objawiła, ale powiem szczerze, to nie jest materiał na artykuł popularyzatorski, ale na ciężką pracę podstawową. Szczególnie, gdy rozpatrujemy Kota Doskonale Czarnego, który wyłącznie absorbuje i to nie tylko promieniowanie, ale dowolnego sponsora.

Morał z tego fragmentu historii jest taki, że współcześnie potrafimy wyciągnąć diabełka za rogi z kwantowego zapadliska do naszego świata i zmusić, żeby zaprezentował swe sztuczki.

Nim zrobimy krok następny, słowo o samym zjawisku interfenecji. Nie zamierzam go tu tłumaczyć za dokładnie, bo to trochę z boku całej historii. Sprawa się opiera na tym, że gdy w układzie rozchodzą się fale o tej samej długości, jak to się uczenie mówi, spójne, czyli na dodatek nie przesunięte w fazie (oznacza to, że mamy jedno, albo wiele, ale zsynchronizowanych ze sobą źródeł fal), to w pewnych miejscach (na przykład na ekranie lub w detektorze) spotykają się one w fazie zgodnej, wówczas następuje wzmocnienie, lub w przeciwfazie, wówczas następuje wygaszenie. W ten sposób mamy na ekranie za dwoma szczelinami szeregi jasnych i ciemnych prążków. Interferencja jest więc typowo falowym zjawiskiem. Na dodatek, gdy zachodzi, można, mierząc odległość pomiędzy szczelinami, do ekranu i pomiędzy prążkami bardzo precyzyjnie wyznaczyć długość fali, jaka się rozchodzi w układzie.

No i jeszcze dualizm korpuskularno-falowy. Użyłem powiedzenia "kwant światła". Powiedzmy od razu, że dość fatalnym skojarzeniem jest, że mechanika kwantowa opiera się na kwantach. Kwanty owszem, ale... Porcje energii niesione przez fale elektromagnetyczne mogą i przybierają dowolne wartości. Atomy pod niskim ciśnieniem emitują dość ściśle określone porcje, ale wynika to z istnienia skwantowanych orbit (w uproszczeniu) w atomie. A kwant światła? W książkach znajdziemy opis, że podczas przeskoku elektronu atom promieniuje ciąg falowy. Czy to jest ten kwant, czyli foton? Nie bardzo. Chodzi o to, że promieniowanie elektromagnetyczne możemy obserwować jako fale lub cząstki (fotony), zależnie od tego, czy przygotujemy się do obserwacji fal czy cząstek. Wedle życzenia. Np antena radiowa widzi fale, jako fale, natomiast fotokomórka jako cząstki. Tak więc pytanie czy to cząstka, czy fala jest bez sensu.

Jest w tym jeszcze jeden niuans: jeśli za szczelinami mamy ekran fluorescencyjny, to obserwujemy na nim punktowe rozbłyski. (Chyba że strzelamy piekielnie zimnymi śrucinami, wówczas mogą się robić zwykłe dziury w nim). W eksperymencie, w którym rozbłyski zdarzają się bardzo rzadko, nie zaobserwujemy żadnych prążków, jeśli nie będziemy rejestrować miejsc, w których zaobserwowaliśmy poprzednie. Znowu, te prążki to uśredniony obraz zjawiska. Musimy zarejestrować dostatecznie wiele cząsteczek, by sprawa się stała wyraźnie widoczna. Co ciekawe, identyczny efekt będzie np. z falami radiowymi. Ekran dokonuje operacji LOKALIZACJI fotonu, cząstki czy śrutu.

Kręcimy się tu od dłuższego czasu wokół jednej dziwniejszych zasad mechaniki kwantowej i jednocześnie jednej z najważniejszych: zasady nieoznaczoności. Mówi ona, że nie da się pewnych sprzężonych ze sobą wielkości wyznaczyć dowolnie dokładnie. To sprzężenie to precyzyjny termin, ale zostawmy to. Możemy powiedzieć "pewnych". Takim fatalnym połączeniem jest właśnie pęd i położenie, w szczególności gdy mamy do czynienia z cegłą, którą wcześniej zważyliśmy, jej prędkość i położenie. Problem tak z grubsza polega na tej fali płaskiej: gdy jest pięknie sinusoidalna (gdy funkcja falowa jest piękną sinusoidą), wówczas doskonale znamy pęd (lub w uproszczeniu) prędkość. Jeśli zrobimy z niej paczkę falową i "zlokalizujemy", popsujemy sinusoidę. Wielkość rozmycia jest znowu związana ze stałą Plancka. Matematyczne medytacje prowadzą do wyniku, że iloczyn średniego błędu kwadratowego pomiaru pędu i położenia nie może być mniejszy niż h/(2*pi).

W istocie zazwyczaj nie widzimy tego ograniczenia, ale znowu możemy doprowadzić do sytuacji, gdy kwantowy diabełek wychynie ze swojego piekiełka. Sprawa się ma tak: jeśli zechcemy stwierdzić, którymi szczelinami przebiegają "naprawdę" śruciny, elektrony, czy kwanty światła, dokonamy pomiaru położenia naszego obiektu. Jednocześnie na ekranie z odległości prążków możemy wyznaczyć precyzyjnie długość fali. Na tyle dokładnie, że gdyby się udało stwierdzić "którędy", wejdziemy w paradę Zasadzie Nieoznaczoności Heisenberga. Tak więc dla porządku, by wszystko w naturze się zgadzało, zniknie obraz interferencyjny. Tak będzie, choć byśmy kombinowali diabli wiedzą jak cwanie.

O tę zasadę Albert Einstein był obrażony do końca życia i dla jej obalenia wymyślał przepiękne paradoksy. Jedną z konsekwencji rozważań była nielokalność, koronny dowód przeciw mechanice kwantowej . Niestety, wszystko wskazuje, że mechanika kwantowa jest nielokalna. Inaczej mówiąc, że dokładnie wbrew zdrowemu rozsądkowi to, co się dzieje w jednym bardzo odległym miejscu, wpływa na to, co obserwujemy gdzie indziej. Co gorzej, "informacja o utracie informacji", wykonano już takie pomiary, rozchodzi się z prędkością wielokrotnie większą od prędkości światła . Sygnalizuje tu tylko ten temat na zasadzie ciekawostki.

Wróćmy do naszych dwu szczelin. Otóż eksperymentalnie stwierdzono, że cokolwiek by nie leciało, obiekty interferują same ze sobą. To nie jest tak, że elektron A, lecąc przez szczelinę 1, oddziałuje z elektronem B lecącym przez szczelinę 2. Nie. Wykonano eksperyment, polegający na tym, że przepuszczano bardzo rzadko cząsteczki. Tak rzadko, że w aparaturze średnio była mniej niż jedna. Nie wpłynęło to w żaden sposób na ostrość prążków.

Współcześnie wymyślono coś o wiele bardziej karkołomnego. Nie ma informacji o wykonaniu eksperymentu, lecz sprawa jest chyba w toku. Powiedzmy, że do naszego układu ze szczelinami wpuścimy tak zwany wzbudzony atom. Jest to atom "puknięty" np. kwantem promieniowanie podczerwonego. Można się tak wycwanić, że znajdziemy taki atom lub cząsteczkę, w której znajduje się tak zwany stan metastabilny. Na tym etapie nie wiemy tak naprawdę, czym jest kwant podczerwieni i ów stan metastabilny, ale rzecz się sprowadza do tego, że atom potrafi pobrać ciut energii, przechować ją jakiś czas i zostawić w innym miejscu. Otóż powiedzmy, że zabiera on w drogę do szczelin porcję energii i że przy szczelinach mamy schowek na ten nazwijmy tak kwant podczerwieni. Zauważmy teraz, że jeśli jest to jeden schowek, to nie ma powodu, by zniknęła interferencja, bo i tak nie ma sposobu, by sprawdzić, którędy przeszedł atom. Nie powinno się nic popsuć, gdy zrobimy dwie dziurki do skrzynki na kwant z dwu stron, od szczeliny 1 i 2 osobno, bo dalej nie stwierdzimy, przez którą kwant został wrzucony. Możemy jednak posunąć się za daleko: wstawić przegrodę, tak że stwierdzimy, którędy atom przechodził. Co jednak w sytuacji, gdy układ pomiarowy będzie taki, że niezawodnie usunie szczelinę?

Wówczas zasada nieoznaczoności pozostanie nienaruszona. I obraz interferencyjny powinien się pojawić. Powiedzmy, że sprawy mają się tak: mamy niezawodnego laboranta, który obserwuje ekran za szczelinami. Wypuszcza atom i robi kropkę długopisem w miejscu, gdzie ów atom upadł. Następnie podchodzi do szczelin i usuwa przegrodę. Jeśli laborant jest dostatecznie niezawodny, pojawi się obraz interferencyjny. Jeśli leniuch albo oferma, albo jeśli przy którejś serii pomiarowej ma w drodze do szczelin złamać nogę, to obrazu nie będzie. Ten ostatni przypadek jest szczególnie niepokojący, bo mówi dokładnie o przewidywaniu przyszłości. Albo złamaniu zasady przyczynowości: Najpierw mamy skutek, czyli rozbłysk w odpowiednim miejscu na ekranie, potem przyczyna, która ów rozbłysk wywołała: laborant albo usuwa, albo nie przegrodę.

Przyznam, że nie udało mi się dostatecznie rozeznać, jak wyglądają sprawy z eksperymentalnym sprawdzeniem tego pomysłu. Stosunkowo najbardziej znaną osobą, która zajmuje się takimi najbardziej szokującymi efektami kwantowymi jest Paul G. Kwiat

( Podpiąć http://www.physics.uiuc.edu/People/Faculty/profiles/Kwiat/)

Zaproponował on nieco inny układ pomiarowy bez atomów i bez skrzyneczki na kwant podczerwieni. Jest to chyba znacznie łatwiejszy do realizacji układ z kryształem "światłodzielącym", czyli potrafiącym z kwantu promieniowania ultrafioletowego zrobić dwa kwanty podczerwone.

Nie mam nadziei, że udało mi się cokolwiek więcej poza zasygnalizowaniem niektórych zagadnień. Opowieść spróbowałbym podsumować tak. Powstanie mechaniki Newtona opierało się na prostym i zrozumiałym założeniu, które można uprościć do powiedzenia, że wszystkie eksperymenty mechaniczne wykonywane na jadącym ze stałą prędkością po prostej wózku i na stole, pod warunkiem, że wózek nie bardzo się trzęsie, przebiegną tak samo. Fizyka z uwzględnieniem szczególnej teorii względności dorzuca do tego jeszcze jedną uwagę: także zjawiska elektromagnetyczne na tym wózku będą wyglądały jak na stole. Nawet jeśli będzie on pędził z ogromną prędkością, to szybkość mierzona światła na wózku i na stole będzie taka sama i nieważne skąd (i tym bardziej kto) świeci. Ogólna teoria względności mówi, że wszystkie zjawiska także elektromagnetyczne będą wyglądały na tym wózku tak samo, gdy będzie on ciągnięty ze stałym przyspieszeniem (rozpędzany lub hamowany) lub gdy znajdzie się on w polu grawitacyjnym wywołującym takie samo przyspieszenie (tym razem nie mówimy o stole). A mechanika kwantowa? To... no właśnie, trochę ni pies, ni wydra, ani odrobinę nie poddaje się temu pięknemu ciągowi uogólnień. Straszny bałagan zasady, jak zakaz Pauliego wzięte z kapelusza. Może ktoś zrobi z tym w końcu porządek. No ale, dość dobrze nam służy. I z tego trzeba się, póki co, cieszyć.