Werner Heisenberg, Physics and Philosophy — the revolution in modern science, HarperCollins Publishers 2007

Utworzono: sobota, 25 lipiec 2015 08:23

Poprawiono: środa, 16 styczeń 2019 17:02

Odsłony: 11926

Werner Heisenberg w wieku 31 lat otrzymał nagrodę Nobla za swój wkład w rozwój mechaniki kwantowej, która wraz z teorią względności spowodowały całkiem nowe spojrzenie na otaczający nas świat. W klasycznej mechanice Newtonowskiej, znając aktualny stan jakiegoś zjawiska, np. położenie i prędkość statku kosmicznego, możemy obliczyć stan tego zjawiska w zadanej chwili w przyszłości. W mechanice kwantowej tak nie jest. Znając położenie i prędkość cząstki elementarnej możemy obliczyć jedynie prawdopodobieństwo każdego z jej przyszłych stanów. Funkcję, która stanom przypisuje ich prawdopodobieństwa nazywamy rozkładem prawdopodobieństwa. Zatem aktualny stan cząstki elementarnej jednoznacznie wyznacza jedynie rozkład prawdopodobieństwa jej przyszłych stanów. 

Od czasów Newtona uważano, że gdybyśmy potrafili całościowo opisać stan wszechświata w danej chwili, to potrafilibyśmy też obliczyć jego stan w każdej chwili późniejszej. Ten podgląd nazwano determinizmem. W fizyce klasycznej wiedzieć „jak będzie” oznacza umiejętność określenia przyszłego stanu świata. Fizyka kwantowa uczy nas jednak, że tego rodzaju wiedza jest a priori niemożliwa do osiągnięcia. Natura naszego świata jest taka, że o przyszłości możemy mówić jedynie w terminach większego lub mniejszego prawdopodobieństwa. To też pewien rodzaj determinizmu, zmienia się jednak rozumienie słowa „wiedzieć”.

Mechanika kwantowa burzy też nasze wcześniejsze rozumienie paradygmatu pomiaru. W fizyce klasycznej uważano, że precyzja pomiaru jest ograniczona jedynie dokładnością urządzeń pomiarowych. Fizyka kwantowa obala i ten pogląd, o czym stanowi słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga: nie da się dowolnie dokładnie zmierzyć jednocześnie położenia i pędu cząstki elementarnej. Im dokładniejszy pomiar pędu tym mniej dokładny położenia i na odwrót. Intuicyjnie wynika to z prostego faktu, że aby cokolwiek zmierzyć musimy to „zobaczyć”, a więc spowodować interakcję zjawiska z urządzeniem pomiarowym. W mikroświecie taka interakcja zawsze zmieni stan obserwowanego zjawiska. Oświetlenie pocisku rakietowego laserem nie zaburzy jego ruchu, ale oddziałanie promieniem lasera na elektron już tak. Zresztą podobną prawidłowość obserwujemy również w naukach społecznych. Na przykład badanie satysfakcji pracowników jakiejś firmy najczęściej zmienia ten stan.

Sporą część książki Heisenberg poświęca teorii względności ponownie wskazując na konieczność rewizji pewnych klasycznych pojęć, jak na przykład pojęcia czasu. Tradycyjnie uważamy, że czas płynie niezależnie od zjawisk przyrody. W teorii względności jednakże czas jest rozumiany jako miara zmiany. To rozumienie nie jest zresztą odległe od naszych codziennych obserwacji. Przecież czas mierzymy zmianą położenia wskazówek zegara, poziomu piasku w klepsydrze, czy też ruchem słońca na nieboskłonie. Skoro jednak czas jest miarą zmiany, to jeżeli nie ma zmiany, to czas nie płynie. Stąd na niekiedy stawiane pytanie, co było przed wielkim, wybuchem, z którego powstał nasz dzisiejszy kosmos, odpowiadamy: przed wybuchem czas nie istniał, więc pytanie, co było przed wybuchem nie ma fizycznego sensu.

Co ciekawe, podobnie rozumieją czas niektórzy mieszkańcy czarnej Afryki. Ryszard Kapuściński w swojej znakomitej książce „Heban” opisuje grupę podróżnych czekających na odjazd autobusu. Termin odjazdu dawno minął, ale autobus nie rusza z miejsca. Nikt się jednak nie niecierpliwi, bo skoro autobus stoi, to czas nie płynie.

Mam też wrażenie, że dzięki lekturze „Fizyki i filozofii” udało mi się wreszcie zrozumieć, co popularyzatorzy teorii względności mieli na myśli pisząc, że poruszające się zegary chodzą wolniej od pozostających w bezruchu. Zawsze miałem z tym podstawowych problem, bo cóż to znaczy w kosmosie, że jedno ciało się porusza, a drugie nie. W rzeczywistości jednak einsteinowskie prawo zegarów należy sformułować tak: dla obserwatora mierzącego czas przy pomocy dwóch zegarów, z których jednej pozostaje wobec niego w bezruchu, a drugi się porusza, obserwowany na drugim zegarze czas płynie wolniej. Intuicyjne wyjaśnienie tak opisanego zjawiska jest teraz dość proste.

Niech A będzie zegarkiem na ręku obserwatora, a B zegarem leżącym przed nim na stole i tak zestrojonym z A, aby oba pokazywały tę samą godzinę. Przypuśćmy dalej, że zegar B wysyła do obserwatora o każdej pełnej godzinie impuls radiowy określający aktualnie wskazywaną przez niego godzinę. O godz. 16:00 wystrzeliwujemy zegar B w kosmos z prędkością światła. Gdy na zegarze A ukaże się godzina 17:00, ta sama godzina ukaże się na zegarze B, jednakże informacja o tym dotrze do obserwatora dopiero o godzinie 18:00. Obserwator uzna więc, że zegar B chodzi dwa razy wolniej od zegara A. Ot i cała tajemnica. Oczywiście to rozumowanie pozostaje poprawne również wtedy, gdy B porusza się względem A z prędkością mniejszą od prędkości światła, jednakże w takim przypadku różnica wskazań obu zegarów będzie tak mała, że praktycznie niezauważalna.

Przewartościowania wymaga też pojęcie „teraz”. W fizyce klasycznej jest to granica pomiędzy przeszłym a przyszłym. Ta granica ma „zerową grubości” co oznacza, że „potem” jest tuż po „przedtem”. Przejście od przeszłości do przyszłości nie wymaga upływu czasu. W świecie teorii względności tak jednak nie jest. Dla obserwatora zewnętrznego „teraz” pomiędzy przeszłym a przyszłym stanem odległego obiektu trwa tyle, ile wynosi czas biegu światła pomiędzy tym obiektem a obserwatorem. W czasie krótszym od „teraz” obserwator nie jest bowiem w stanie ani zaobserwować zmiany zjawiska, ani też wpłynąć na tę zmianę. Zresztą codzienne rozumienie słów „wczoraj”, „dziś” i „jutro”, odpowiada dokładnie temu właśnie rozumieniu czasu. Wydaje się wręcz, że dla „zwykłego zjadacza chleba”, pojęcie „teraz”, które nie ma żadnego trwania, jest dość abstrakcyjne.

Wśród wielu innych rzeczy dowiedziałem się też z książki Heisenberga, że energia wyzwalana w bombie atomowej nie pochodzi z zamiany materii na energię zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E = mc², ale z rozrywanych wiązań w jądrze atomu. Stąd zresztą nazwa „energia jądrowa”.

Choć książka Heisenbergo była wydana po raz pierwszy w roku 1958, dziś — po ponad pół wieku — nadal brak w języku potocznym pojęć pozwalających jasno mówić o współczesnej fizyce. Dla niektórych pojęć brak nam adekwatnych słów, a niektóre dobrze znane nie mają w nowych sytuacjach zastosowania. Dla przykładu, czy można mówić o temperaturze jądra atomu? Czy można uznać, że elektron to cząstka i fala jednocześnie? Heisenberg poświęca w swojej książce sporo miejsca rozważaniom filozoficznym związanym z faktem, że opisy eksperymentów dotyczących zarówno fizyki kwantowej jak i teorii względności są prowadzone w języku fizyki klasycznej, a i same urządzenia pomiarowe są zbudowane na zasadach tejże fizyki.

„Filozofia fizyki” to przede wszystkim nadal bardzo aktualna dyskusja problemów współczesnego świata materii, energii i pól sił widzianych oczami jednego z ludzi, którzy posunęli nasze rozumienie tych zjawisk o kilka rzędów wielkości do przodu.