O samym Einsteinie krążą legendy, anegdoty, facecje, cytuje się jego rozmaite wypowiedzi, drukuje się jego podobiznę na T-shirtach, maluje na muralach, a charakterystyczna twarz ze zmierzwioną czupryną siwych włosów stała się już ikoną, symbolem.
Symbolem czego? Wielkości, przenikliwości, geniuszu. Rzeczywiście – Einstein był wielki, a jego słynne e=mc² bardzo zmieniło świat. Mówi się, że miał problemy z nauką, ale to nie do końca prawda. Miał je chwilowo, w wieku kilkunastu lat, ale chodziło wyłącznie o nauki humanistyczne. Mówi się, że był wielopaństwowcem, pacyfistą, ateistą i choć to poniekąd prawda, życie Einsteina przechodziło przez wiele różnych kolein, często do siebie nieprzystających.
Nobel za fotony
W 1921 r. otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki. I chociaż od jego największych dokonań (sformułowania szczególnej teorii względności w 1905 r. i ogólnej teorii względności w 1915 r.) minęło wiele lat – nie uhonorowano go za odkrycia względności, lecz za wyjaśnienie tzw. zjawiska fotoelektrycznego.
Wyjaśnienie to Einstein podał w 1905 r. Odkrył, że światło może wybijać elektrony z powierzchni, na którą pada tylko w sytuacji, gdy jest pochłaniane przez nią w najmniejszych porcjach, czyli kwantach, a więc fotonach. W 1921 r. szczególna teoria względności, choć w zasadzie potwierdzona, nie była jeszcze w pełni doceniona, z kolei ogólna teoria względności nie była jeszcze potwierdzona.
Gdy Hitler doszedł do władzy w 1933 r., Einstein postanowił nie wracać do Niemiec i przybywając z podróży po Ameryce, osiadł na krótko w Belgii, po czym powrócił do USA i tam został już do końca życia. W 1939 r. poinformował prezydenta Roosvelta, że uran można wykorzystać do produkcji śmiercionośniej i niezwykle potężnej broni i że Niemcy z pewnością spróbują tego dokonać.
Nigdy sam nie brał udziału pracach zmierzających do budowy bomby atomowej. Gdy pierwsze bomby spadły na Japonię, wypowiedział słynne: „Co myśmy zrobili?”. Długo był pacyfistą, lecz gdy naziści opanowali Niemcy, zrewidował swoje poglądy. Nigdy nie wierzył w jedynego i osobowego Boga, lecz nie krytykował religii. Sądził, że i religia, i nauka są równie potrzebne. Jego Bogiem był bliżej nieokreślony, panteistyczny sens działania praw natury. Wierzył, że coś takiego istnieje.
Trudny czas kwantów
W latach 20. i 30. XX w. zajmował się aktywnie powstającą właśnie teorią kwantów i choć wiedział, że to teoria niezmiernie ważna, miał do niej wiele, a z czasem coraz więcej zastrzeżeń. Dyskutował o nich latami z największymi fizykami tamtych lat: Nielsem Bohrem, Maxem Bornem, Erwinem Schrodingerem, Wernerem Heisenbergiem.
Jego krytyka wynikała z faktu, że choć był fizykiem genialnym i przełomowym, miał jednak klasyczny pogląd na świat. Tymczasem mechanika kwantowa ten klasyczny paradygmat całkowicie odrzucała. Wnioski wynikłe z odkrywania praw mechaniki kwantowej zostały zawarte w słynnej tzw. interpretacji kopenhaskiej, która jest naukową wykładnią i spuścizną badaczy skupionych wokół Nielsa Bohra – wielkiego duńskiego fizyka, który w latach rewolucji kwantowej gromadził wokół siebie najwybitniejszych odkrywców i teoretyków i stymulował ich do przełomowych odkryć w fizyce. Po raz pierwszy interpretacja ta została ogłoszona w 1927 roku. W pewnym uproszczeniu można jej wnioski sprowadzić do kilku konstatacji.
W świecie cząstek elementarnych powszechne jest zjawisko komplementarności. Oznacza ono, że badane cząstki bywają różnymi bytami jednocześnie, na przykład cząstkami i falami. Jeśli emitowany elektron ma dotrzeć do celu (detektora) przez jedną szczelinę w przeszkodzie, to przedostaje się przez nią jako cząstka. Gdy jednak w przeszkodzie są dwie szczeliny obok siebie, nie wybiera jednej z nich, lecz przenika przez obie jednocześnie – jako fala.
W świecie kwantów powszechne jest też zjawisko nieoznaczoności. Badając układ kwantowy, nie możemy w tym samym czasie zdobyć całej wiedzy o cząstce, na przykład określić dokładnie jej pędu i położenia. Możemy badać tylko jedną właściwość, pozostałe właściwości – przez to, że badana jest jedna z nich – wymykają się obserwacji i opisowi.
Świat kwantów jest probabilistyczny, co oznacza, że przed pomiarem danej własności cząstek mierzona zmienna nie ma ustalonej wartości. Wartość tę ustala dopiero pomiar. Wcześniej, przed pomiarem, istnieją tylko rozkłady prawdopodobieństwa dotyczące poszczególnych cech badanego obiektu. Każdy elektron znajduje się w każdym możliwym miejscu w przestrzeni, w tym samym czasie, ale szanse odnalezienia go w niektórych miejscach są bardzo duże, w innych bardzo małe.
I wreszcie, żeby obserwować zjawiska atomowe i subatomowe, musimy je zaburzać. Nie ma sensu pytać – twierdził Bohr – co atomy robią, gdy ich nie obserwujemy. Nic nie robią. Bez obserwacji ich nie ma.
Nie do uwierzenia!
Jednym z najbardziej zagorzałych krytyków tej interpretacji był właśnie Albert Einstein, który – jak sam nie raz twierdził – nie rozumiał świata stworzonego przez Bohra i jego koło. „Bóg nie gra w kości” – pisał do wielkiego fizyka Maxa Borna. Żeby wykazać, że mechanika kwantowa jest w błędzie, Einstein stworzył w 1935 r.słynny paradoks, który fałszywość interpretacji kopenhaskiej miał unaocznić jak na dłoni. Paradoks ten nosi nazwę EPR – od nazwisk jego twórców: Alberta Einsteina, Borysa Podolskiego i Nathana Rosena. Dotyczył cząstek zwanych singletami.
Są to cząstki, które mają precyzyjnie określoną własność wspólną. Jeśli badamy cechę jednej, to wynik tego badania daje nam natychmiastową informację o stanie drugiej. Może to być informacja o spinie, polaryzacji lub innej cesze. Dwa małe fotony powstałe z rozszczepienia jednego większego fotonu są w stanie splątanym swojej polaryzacji, wówczas gdy używając dwóch identycznie ustawionych polaryzatorów, zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. Tak jakby mierzenie polaryzacji pierwszego wpływało na polaryzację drugiego.
Przy czym odległość nie ma tu żadnego znaczenia – cząstki mogą być od siebie oddalone o miliardy kilometrów, a i tak informacja o cechach jednej wpływa natychmiastowo na cechy drugiej. Tu właśnie tkwi sedno paradoksu EPR.
W jaki sposób cząstki mogą komunikować się w trybie natychmiastowym – pytał Einstein – o wiele szybciej niż prędkość światła? To niedorzeczność. Nic nie jest przecież od światła szybsze. W fizyce kwantowej tkwi jakiś błąd, skoro dopuszcza takie sytuacje.
To nie jest paradoks!
Paradoksem EPR, od chwili jego ogłoszenia, przez wiele lat zajmowało się wielu fizyków, którzy stawiali sobie za cel jego ostateczne rozwiązanie. Dopiero jednak w 1964 roku rozumowanie Eisteina i jego partnerów zostało matematycznie obalone przez irlandzkiego fizyka Johna Bella, który ostatecznie udowodnił, że tak zwany realizm lokalny, zakładany przez krytyków teorii kwantów, w samym świecie kwantów nie istnieje.
Innymi słowy: że cząstki mogą się komunikować nielokalnie, na wielkie odległości w trybie natychmiastowym. Szybko rozpoczęto próby eksperymentalnego potwierdzenia tego twierdzenia.
Dopiero w 1982 zespół fizyków kierowany przez Alaina Aspecta z Uniwersytetu w Paryżu ostatecznie dokonał eksperymentalnego potwierdzenia dowodu Bella. Fotony mogą istnieć w stanie splątania i pozostając w nim, wymieniają informacje w trybie natychmiastowym. W 1997 r. w Genewie grupa pod kierunkiem Nicolasa Gasina powtórzyła eksperyment Aspecta z detektorami umieszczonymi w odległości 11 kilometrów od siebie, potwierdzając realność efektu splątania kwantowego. Jeszcze później wykonano podobne doświadczenia z dalszymi odległościami. Wszystkie udane.
A jednak w błędzie
Udowodnienie, że paradoks EPR nie jest żadnym paradoksem, lecz ukazuje realny fenomen kwantowego świata, ma dość poważne konsekwencje. Najważniejszą jest uznanie, że oddziaływania, z którymi stykamy się na świecie, wcale nie muszą mieć charakteru lokalnego, a więc nie muszą wcale wypływać z tego, co z nimi bezpośrednio sąsiaduje.
Przez lokalny charakter oddziaływań rozumie się, że wszystko, co dzieje się w danym miejscu, jest rezultatem czynników działających w tym miejscu. Tymczasem świat może być nielokalny.
To niezwykłe odkrycie. Procesy mogą być efektem czynników bardzo odległych, pochodzących spoza areny obserwowanych wydarzeń, których wpływ rozprzestrzenia się natychmiastowo. Wszystko jest związane ze wszystkim. Ograniczenia świetlne teorii względności Einsteina w takim świecie nie obowiązują. Lokalność świata jest fikcją. To udowodnili Bell i Aspect.
Paradoksalnie, nomen omen, paradoks EPR zamiast obalić dziwny świat cząstek elementarnych, przyczynił się do potwierdzenia jego prawdziwości.
W tej sprawie Einstein się pomylił, ponieważ Bóg właśnie zagrał z nami w kości na poziomie kwantowym świata.
Jednak to oczywiście w niczym nie umniejsza wielkich zasług Einsteina, który był na pewno największym uczonym XX w. i jednym z największych w całej historii świata.