Sto lat! Sto lat! Ale co dalej? Wiek z mechaniką kwantową
Tak wynikałoby z badań Andrew Jordana z Uniwersytetu Chapmana w Kalifornii i jego kolegów. Jak twierdzą, wiele niskoenergetycznych stanów kwantowych można połączyć w stan, który jest dziesiątki razy bardziej energetyczny niż którykolwiek z elementów składowych. Idea ta opiera się na pracy Yakira Aharonova, który w latach 90. odkrył zjawisko zwane „superoscylacjami”. Według jego badań, każdą falę, od wibrującej struny gitary po falę światła, można rozłożyć na kilka składowych fal sinusoidalnych, z których każda porusza się z pewną częstotliwością i jeśli skutecznie przybliży się jeden mały obszar fali głównej, w niektórych przypadkach fale składowe zsumują się, by poruszać się znacznie szybciej niż najszybsza część fali głównej, co oznacza superoscylację. Jordan twierdzi, że w praktyce może to mieć nieoczekiwane konsekwencje. Na przykład, w fali czerwonego światła, która ma niską częstotliwość, można znaleźć obszar, który wibruje z wyższą częstotliwością, dzięki czemu wygląda na niebieską, co zaobserwowano w eksperymentach. Zjawisko „superenergii” może w teorii znaleźć zastosowanie w opracowywaniu nowych urządzeń do obrazowania. Jednak pojawia się rzadko, co utrudnia praktyczne opanowanie efektu.
Sto lat lub trochę więcej
Wyrażenie „mechanika kwantowa” zostało ukute (w języku niemieckim – Quantenmechanik) przez grupę fizyków, w tym Maxa Borna, Wernera Heisenberga i Wolfganga Pauliego, na uniwersytecie w Getyndze na początku lat dwudziestych XX wieku i zostało po raz pierwszy użyte publicznie w artykule
Borna „Zur Quantenmechanik”, opublikowanym w 1925 roku. Słowo „kwant” pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego „ile” lub „ilość”. Coś, co jest skwantowane, jak np. energia oscylatorów harmonicznych Plancka, może przyjmować tylko określone wartości. Mechanika jest gałęzią nauki, która zajmuje się działaniem sił na obiekty. Tak więc mechanika kwantowa jest częścią mechaniki, która zajmuje się obiektami, dla których określone właściwości są skwantowane.
Wiele osób znających historię fizyki może polemizować z takim datowaniem początków tej dziedziny. Historia ta zaczyna się bowiem wcześniej, gdy pojawiły się pierwsze idee kwantowe w celu wyjaśnienia niektórych zjawisk, choćby promieniowania ciała doskonale czarnego, efektu fotoelektrycznego, widm emisji słonecznej. Były badane przez wielkich fizyków (1), w tym Einsteina i Plancka, którzy pojęcia mechaniki kwantowej wprowadzali do obiegu. Prawo Plancka było pierwszą teorią kwantową w fizyce, a Max Planck otrzymał Nagrodę Nobla w 1918 roku „w uznaniu zasług, jakie położył dla rozwoju fizyki poprzez odkrycie kwantów energii”. Wtedy on sam uważał jednak, że kwantyzacja to czysto matematyczna konstrukcja, a nie, jak się obecnie uważa, fundamentalna teorią tłumaczącą świat. W 1913 roku Niels Bohr zaproponował nowy model atomu, który obejmował skwantowane orbity elektronów, które krążyły wokół jądra, podobnie jak planety krążą wokół Słońca, ale wolno im zamieszkiwać tylko określone orbity, a nie orbitować w dowolnej odległości. Niektóre założenia modelu Bohra wkrótce okazały się błędne, ale kluczowe – że dyskretne linie w widmach emisyjnych są spowodowane pewną właściwością elektronów w atomach, które są skwantowane, jest poprawne.
O kwantach światła czy energii mówiło więc już od początku XX wieku wielu fizyków. Rozumienie tych zjawisk nie układało się jednak w jednorodną teorię. Jak się więc wydaje, narodziny mechaniki kwantowej jako odrębnej gałęzi fizyki należałoby formalnie datować dopiero na lata 20. XX wieku. Opracowanie mechaniki fal przez Erwina Schrödingera i ekspansja wielu innych kierunków badań wyzwoliła „nowoczesną” erę, której start można umownie określić na 1925 rok. Wtedy poja-wiły się też np. prace Paula Diraca nad relatywistyczną teorią kwantową, teoriami promieniowania, których kulminacją była elektrodynamika kwantowa, pierwsza kwantowa teoria pola. Odrobinę wcześniej, w 1924 r., Louis de Broglie wysunął przełomową hipotezę, że materia ma właściwości falowe. Opierając się na propozycji Einsteina, że efekt fotoelektryczny można opisać za pomocą skwantowanych transferów energii oraz na szczególnej teorii względności, z której wynika, że masa w spoczynku jest równoważna energii poprzez E=mc², de Broglie teoretyzował, że materia w ruchu wydaje się mieć powiązaną falę o długości fali λ=h/p, gdzie p jest pędem materii z ruchu. Korzystając z fal, wyjaśnił kwantyzację orbit Bohra, w których elektron na orbicie wokół jądra może być postrzegany jako mający właściwości falowe. Trzy lata po tym, jak de Broglie opublikował swoją hipotezę, dwie różne grupy badaczy zademonstrowały dyfrakcję elektronów. De Broglie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1929 roku.
Wzmiankowany model matematyczny, zwany równaniem Schrödingera od nazwiska jego twórcy, ma kluczowe znaczenie dla mechaniki kwantowej, definiuje dozwolone stany stacjonarne układu kwantowego i opisuje, w jaki sposób stan kwantowy układu fizycznego zmienia się w czasie. Sama fala jest opisywana przez konstrukcję matematyczną znaną jako „funkcja falowa”. Schrödinger uważał, że funkcja falowa zapewnia „środki do przewidywania prawdopodobieństwa wyników pomiarów”. Obliczył poziomy energetyczne wodoru, traktując elektron atomu wodoru jako klasyczną falę, poruszającą się w studni potencjału elektrycznego wytworzonego przez proton.
Opierając się na podejściu de Broglie’a, niemieccy fizycy Werner Heisenberg, Max Born i Pascual Jordan opracowali mechanikę macierzową. Heisenberg sformułował wczesną wersję zasady nieoznaczoności w 1927 roku, analizując eksperyment myślowy, w którym próbuje się jednocześnie zmierzyć położenie i pęd elektronu.
Około 1927 roku Paul Dirac zainicjował proces unifikacji mechaniki kwantowej ze szczególną teorią względności, proponując równanie Diraca dla elektronu. Równanie Diraca zawiera relatywistyczny opis funkcji falowej elektronu, którego nie udało się uzyskać Schrödingerowi. Przewidywało spin elektronu i pozwoliło Diracowi przewidzieć istnienie pozytonu. Od wtedy datują się tez próby zastosowań mechaniki kwantowej do pól zamiast pojedynczych cząstek, co zaowocowało kwantowymi teoriami pola i elektrodynamiką kwantową.
W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku centralnym punktem dla badaczy mechaniki kwantowej i pokrewnych tematów był Instytut Nielsa Bohra w Kopenhadze. Termin „interpretacja kopenhaska” był stosowany do całego wachlarza poglądów skupionych w nim badaczy. Istniały różnice między nimi, dlatego nie istnieje ostateczne sformułowanie „interpretacji kopenhaskiej”, jednak określona grupa teorii jest powszechnie postrzegana jako typowa dla niej.
Ku unifikacji
Unifikacji z grawitacją i teorią względności poszukują fizyki od czasu co najmniej Diraca. Owocem kilku dekad prac była teoria chromodynamiki kwantowej sformułowana na początku lat sześćdziesiątych XX wieku. Opisywała, jak oddziaływania jądrowe i elektrodynamika kwantowa mogą zostać połączone w jedno oddziaływanie elektrosłabe.
Fizycy i matematycy od dawna pracują nad opracowaniem teorii grawitacji kwantowej. W latach dziewięćdziesiątych XX wieku argentyński fizyk teoretyczny Juan Maldacena zaproponował powiązanie między dwiema teoriami fizycznymi, które nazwał korespondencją przestrzeni antyde Sittera (AdS). To szczególny rodzaj geometrii czasoprzestrzeni, który jest wykorzystywany w teoriach kwantowej grawitacji i jest sformułowany w kategoriach teorii strun i konforemnej teorii pola (CFT), która jest szczególną wersją kwantowej teorii pola, niezmienniczą w ramach geometrycznych przekształceń konforemnych, czyli zachowujących kąty.
Niestety, propozycja Maldaceny, która stanowiła awangardę rozważań teoretycznych ostatnich dekad, nie dotyczy znanej wcześniej elektrodynamiki kwantowej, którą obserwujemy w naszym Wszechświecie, ponieważ zmiana skali wpłynęłaby na ładunki i energie fundamentalnych cząstek i pól. Pola kwantowe, które obserwujemy w naszej rzeczywistości, nie są opisywane przez konforemne teorie pola. Te teorie dostarczają różnych opisów tych samych zjawisk fizycznych. W proponowanym przez Maldacenę wszechświecie AdS jest obszarem czasoprzestrzeni, który wyłania się, jak hologram, z CFT, wolnej od grawitacji granicy tego holograficznego wszechświata. Trójwymiarowy AdS ma grawitację i jest ujemnie zakrzywiony (na kształt siodła), co pozwala mu mieć granicę, dwuwymiarową CFT. Hologram niższego wymiaru (kwantowy opis 3D) służyłby jako granica dla przestrzeni 4D, utworzonej dzięki splątaniu na tej granicy.
„Zasada holograficzna połączyła teorię grawitacji z teoriami fizyki cząstek”, orzekł Maldacena. Połączenie tych dwóch podstawowych idei w jedną spójną teorię (często nazywaną kwantową grawitacją) pozostaje jednym ze świętych Graali fizyki. Tak więc zasada holograficzna umożliwiająca taką unifikację w ramach hipotetycznego Wszechświata, wiele obiecuje w sensie naukowym. Oczywiście jest to dalekie od dowodu, że nasz rzeczywisty Wszechświat jest hologramem Maldaceny. Nie brakuje prac teoretycznych, które sugerują, że zasada holograficzna może działać również dla naszego Wszechświata. Jednak wszyscy są zgodni, że jedynie eksperymentalne sprawdziany mają w tym przypadku znaczenie. Zresztą w świetle faktu, że teoretyczne modele CFT są często nad wyraz złożone i trudno poradzić sobie z nimi za pomocą dostępnych narzędzi matematycznych, badacze doszli do wniosku, że prościej będzie przeprowadzić eksperyment potwierdzający zasadę holograficzną. W tym celu, kilka lat temu Craig Hogan, profesor fizyki z Fermilab, skonstruował najdokładniejszy na świecie interferometr oparty na wiżakach laserowych, zwany holometrem Hogana. Miał on nam dać najprecyzyjniejszy z osiągalnych pomiar samej podstawowej istoty cza-soprzestrzeni. Eksperyment, oznaczony kryptonimem Fermilab E-990, dążył do wykazania kwantowej natury samej przestrzeni i obecności czegoś, co naukowcy nazywają „holograficznym szumem”. Inni fizycy, w tym Leonard Susskind, fizyk z Uniwersytetu Stanforda, odrzucali założenie tego eksperymentu i twierdzą, że nie może on dostarczyć żadnych dowodów na istnienie zasady holograficznej. Tak czy inaczej, choć prace rozpoczęty się już dekadę temu, na razie nie ma informacji o jakichkolwiek przełomowych wynikach.
Krytyka i rekonstrukcja
Pełna paradoksów i zagadek, fizyka kwantowa wymaga od większości naukowców interpretacji, czyli sposobu na nadanie sensu jej matematycznemu formalizmowi w kategoriach konkretnego opisu tego, co istnieje w świecie i jak z nim wchodzimy w interekcję. Przez stulecie zaproponowano nie jedną, lecz całą mnóstwo interpretacji kwantowych, wspominamy tu tylko o niektórych.
Badanie ankietowe przeprowadzone podczas konferencji Quantum Physics and the Nature of Reality w 2011 r. wykazało, że wciąż nie ma zgody, co teoria kwantowa mówi nam o rzeczywistości – uczestnicy byli głęboko podzieleni co do tego, jak należy interpretować teorię. Niektórzy fizycy wzruszają ramionami i mówią, że musimy żyć z tym, że mechanika kwantowa jest dziwna, a nawet dziwaczna. Tak, cząstki mogą znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie lub komunikować natychmiastowo na dowolne odległości. Teoria kwantowa świetnie się sprawdza we wszystkich eksperymentach na cząstkach elementarnych. Wielu jednak to nie satysfakcjonuje. Chcą wiedzieć, dlaczego mechanika kwantowa ma taką formę, a nie inną. Próbują dowiedzieć się więcej, wejść głębiej. Jest nawet coś w rodzaju ruchu naukowców dążących do tego, nazywany rekonstrukcją kwantową. To próba zbudowania fizyki kwantowej na nowo, na prostych zasadach.
Krytycy mechaniki kwantowej zwracają uwagę, że zasady obliczania prawdopodobieństwa położenia cząstek były tak naprawdę intuicyjnym „strzałem” Maxa Borna. Podobnie było, według krytyków, z równaniem Schrödingera – nie było, ich zdaniem, oparte na dowodzeniu zgodnym z surowymi regułami. Mechanika kwantowa to budowla z klocków ustawianych w takim a nie innym miejscu „bo tak” – twierdzą krytycy i rekonstrukcjoniści. Gdy porówna się z nią np. twierdzenia teorii szczególnej względności, widać wyraźnie przewagę dokonań Alberta Einsteina, który uporządkował i wyjaśnił pojęcia, a nie gmatwał, stawiając arbitralne twierdzenia. Znany fizyk John Wheeler powiedział, że cała tajemnica mechaniki kwantowej powinna być wyjaśniona za pomocą jednego prostego zdania i takie zdanie chcą odnaleźć zwolennicy rekonstrukcji kwantowej.
Jednym z pierwszych rekonstrukcjonistów był Lucien Hardy z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Od ponad dwudziestu lat wzywa, by ignorować wszystko, co zazwyczaj kojarzy nam się z mechaniką kwantową, czyli przeskoki kwantowe, dualizm korpuskularno-falowy i nieoznaczoność. Zamiast tego, Hardy proponuje skupić się na prawdopodobieństwie. Według jego założeń każdy system można opisać za pomocą listy właściwości i ich możliwych wartości. Na przykład w przypadku rzucanej monety istotnymi wartościami może być to, czy upadnie orłem czy reszką do góry. Następnie zastanowił się nad możliwością ostatecznego zmierzenia tych wartości za pomocą jednej obserwacji. Komplikacja w mechanice kwantowej polega na tym, że cząstka może jednak istnieć nie tylko w odrębnych stanach, jak orzeł i reszka, ale w tzw. superpozycji, czyli kombinacji tych stanów. Innymi słowy, bit kwantowy, kubit, może być nie tylko w stanie binarnym 0 lub 1, ale w superpozycji tych obu stanów. Jeśli jednak wykonamy pomiar kubitu, otrzymamy wynik 1 lub 0.
Niektórzy badacze podejrzewają, że w ostatecznym rachunku rekonstrukcja kwantowa będzie dotyczyć samej informacji, tego, co można i czego nie można z nią zrobić. Jest jednak też inne podejście do kwantowej rekonstrukcji nazywane kwantowym bayesjanizmem lub QBismem. Termin „QBism” był skrótem od Quantum Bayesianism, kiedy ta idea/teoria/interpretacja została po raz pierwszy zaproponowana pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku. Koncepcja, opracowana przez Carltona Cavesa, Christophera Fuchsa i Rüdigera Schacka, przyjmuje prowokacyjne stanowisko, że matematyczny mechanizm fizyki kwantowej nie ma nic wspólnego ze sposobem, w jaki naprawdę funkcjonuje świat. Ma raczej charakter ram, które pozwalają nam rozwijać oczekiwania i przekonania dotyczące wyników naszych działań. Myśl tę czerpie z bayesowskiego podejścia do klasycznego prawdopodobieństwa, wypracowanego w XVIII wieku, w którym prawdopodobieństwo wynika raczej z osobistych przekonań niż z obserwowanych częstotliwości. QBism przyjmuje, że stany kwantowe dotyczą naszej wiedzy o świecie. Są opisami kodującymi nasze interakcje z cząstkami. QBism nie musi zmuszać nas do zaakceptowania historii o równoległych światach (jedna z interpretacji mechaniki kwantowej będąca konsekwencją myśli Schrödingera). QBism pyta, co tak naprawdę dzieje się, gdy istoty ludzkie zajmują się fizyką kwantową i umieszcza je w samym środku naukowego przedsięwzięcia. Zajmowanie się fizyką nie polega na uzyskaniu jakiejś mitycznej i najwyższej perspektywy, ale na obserwowaniu, jak podmioty (ludzie) zdobywają wiedzę o świecie.
Oprócz poszukiwań unifikacji, odpowiedzi na fundamentalne pytania kosmologii i wyjaśnienia natury rzeczywistości, silnym współczesnym nurtem wyłonionym z mechaniki kwantowej jest informatyka kwantowa, która zaczęła się rozwijać w ostatnich dekadach XX wieku. Wynika z niej obietnica budowy komputerów kwantowych, które mogą obsługiwać setki tysięcy lub miliony bitów kwantowych (kubitów). Jak dotąd najnowocześniejsze maszyny ledwo radzą sobie z kilkoma tuzinami kubitów i nie mogą jeszcze przewyższać klasycznych komputerów w żaden znaczący sposób. Dlatego matematycy i informatycy nieustannie poszukują bardziej eleganckich algorytmów, które zależą od mniejszej liczby kubitów.
Mirosław Usidus
