Sir Anthony Leggett o zagadkach i pułapkach mechaniki kwantowej

Kiedy Anthony Leggett był młodszy i jeszcze bardziej psotny niż dziś, miał w zwyczaju wpadać na nudne bankiety wieńczące konferencje naukowe i rzucać w kierunku kolegów pytanie, którego efekt porównać można tylko do skutków działania granatu ręcznego. – W fizyce trudno się spodziewać dyskusji tak emocjonalnej jak w polityce. Ale w tym przypadku efekty bywały naprawdę spektakularne – wspomina chętnie, nie kryjąc zadowolenia. – W ruch szły pięści. Jako dziecko sir Anthony Leggett, w środowisku znany jako Tony, który skończył właśnie 79 lat, chciał być nastawniczym. A kiedy już porzucił myśl o karierze na kolei, zaczął kopać doły. Raz wykopał w ogrodzie tak głęboki, że zdołał stanąć w nim wyprostowany i nie wystawał nad powierzchnię ziemi. Co było wyczynem, wspomina, zważywszy fakt, jak trudno się kopie w podlondyńskiej glinie. „Co mną powodowało, jakie głębiny mojej psyche odsłaniało – nie wiem” – wspomina Leggett w autobiograficznym eseju, do którego spisania zobowiązany jest każdy noblista. Anthony Leggett szukał dziury w całym. I tak mu zostało. Ten brytyjski uczony od lat pracujący w USA (University of Illinois at Urbana-Champaign), człowiek, bez którego trudno sobie wyobrazić współczesną fizykę, niestrudzony jej apostoł (spotykamy się w Singapurze) tym właśnie się zajmuje: nękaniem kolegów niezręcznymi pytaniami. Są alegorie, od których nie sposób uciec: Dedal i Ikar, lis i kruk. Jest też Erwin Schrödinger i jego kot. Przypomnijmy, że chodzi o słynny eksperyment myślowy z lat 30., który zakładał, że w zamkniętym pudle znajduje się kot oraz pewna niestabilna cząstka. W chwili rozpadu uruchamia ona mechanizm uśmiercający kota. Jak każdy obiekt mikroskopowy znajduje się ona jednak w stanie „rozmycia” (superpozycji). Jest jednocześnie w stanie przed i po rozpadzie. Tak więc i kot pozostaje i żywy, i martwy – aż do chwili uchylenia wieka pudła, kiedy to rzucimy okiem na wyniki eksperymentu, czyli dokonamy pomiaru. – Do takich absurdów prowadzi konserwatywne rozumienie mechaniki kwantowej – zauważa Leggett. Z jednej strony mamy znakomicie opisywany prawami kwantowymi mikroświat, z drugiej – makroskopowy świat krzeseł i stołów, o których opowiada mechanika klasyczna, newtonowska. – Jeśli bierzemy mechanikę kwantową poważnie, a przecież od stu lat bierzemy, to powinna się ona odnosić i do cząstek, i do kotów – mówi Leggett. A się nie odnosi. Gdzieś między nimi przebiega arbitralnie wykreślana przez fizyków granica, której nikt nie widział, nie zmierzył, o której mało kto kwapi się rozmawiać. A wszystko to wina Nielsa Bohra. Bohr, jeden z ojców współczesnej fizyki, miał na ten problem pogląd jasny i apodyktyczny: pomiar się po prostu wydarzał. Interpretację tego, co konkretnie wydarza się w pudełku z kotem, pozostawiał filozofom, fizykom kazał siedzieć cicho i rachować. – Gdyby jakikolwiek naukowiec o mniejszym poważaniu uprawiał takie pseudofilozoficzne kaznodziejstwo jak Bohr, nikt by go nie brał poważnie – zauważa Leggett. Ale słów Duńczyka słuchano jak ewangelii, według której mechanika kwantowa jest niczym więcej niż recepturą: 1) weź zestaw symboli, 2) zapisz na papierze, 3) poddaj manipulacjom matematycznym, 4) odczytaj wynik, czyli prawdopodobieństwo zajścia zjawisk obserwowanych w eksperymentach, 5) wyprzyj dyskomfort psychiczny związany z tym, że w istocie nie rozumiesz, o co chodzi. – W życiu codziennym i prawnym z powodzeniem opieramy się na hipotezach kontrfaktycznych: gdybym wstał 5 minut wcześniej, zdążyłbym na autobus; ofiara żyłaby, gdyby oskarżony nie zepchnął jej ze schodów. Tymczasem w tradycyjnej mechanice kwantowej to nie działa – mówi Leggett. Nie sposób mówić sensownie o przebiegu eksperymentu, dopóki nie wykona się pomiaru. Ba, nie wiadomo nawet, czym właściwie jest pomiar. Gdzie i kiedy się wydarza? Czy wtedy, kiedy cząstka zabija kota? Czy z uchyleniem wieka? Czy wtedy, kiedy do oka dotrze pierwszy foton niosący obraz zwierzaka? – Miałem przyjemność rozmawiać z kilkoma twórcami mechaniki kwantowej – wspomina Leggett. – Opowiadali, że w latach 20. całe noce roztrząsali problemy fundamentalne, po czym uznawali wyniki za satysfakcjonujące – i więcej nie chcieli już o nich rozmawiać. Gwarantuję, że za dwieście lat historycy będą zachodzić w głowę, jak to się stało, że tak wielu inteligentnych ludzi brało podobne nonsensy na serio. Kolejna metafora: załóżmy, że pani zabija pana. Narzędzie zbrodni, siekiera, zostaje zbadane, ślady DNA jednoznacznie wskazują na winę oskarżonej. Ekspertyza trafia do sądu. Po czym, w trakcie procesu, sama siekiera ginie. – Czy to oznacza, że morderczyni staje się niewinna? – pyta Leggett. Jeśli tak, to z mechaniką kwantową wszystko jest OK. To znaczy, że godzimy się na to, że opisuje ona świat rzeczy małych, a w pewnym nieuchwytnym momencie przestaje – bo rzeczy duże rządzą się już zupełnie innymi prawami. Jeśli nie, to mechanice kwantowej trzeba się przyjrzeć bliżej. Kilka konkurencyjnych teorii mierzy się z tym wyzwaniem. Leggettowi najbliższa jest idea sformułowana w 1986 r. przez Giancarlo Ghiradiego, Tullio Webera i Alberto Riminiego. Wymaga wprawdzie przyjęcia dodatkowych założeń, ale jest wewnętrznie spójna i – co ważne – testowalna. – Na razie jednak doświadczalnicy zaledwie muskają interesujące nas terytoria – mówi Leggett. – Ale być może podobne teorie to przykłady antropocentrycznego redukcjonizmu, czyli skłonności do tłumaczenia całości przez to, jak działają jej części? – pyta Leggett, i nie jest to pytanie przesadnie popularne. Brytyjczyk wierzy, że nie należy wykluczać możliwości istnienia zupełnie nowych praw fizyki, wkraczających na pewnym poziomie rozmiarów czy złożoności, gdzieś między przysłowiowymi już cząstką a kotem Schrödingera. Jakich? – Któż to może wiedzieć… Ale obstawiałbym, że mają coś wspólnego ze strzałką czasu – dodaje. Dlaczego czas wydaje się płynąć w konkretnym kierunku? Dlaczego tylko w jednym? I dlaczego w ogóle płynie? Na te pytania w sposób ostateczny odpowiedzieć zapewne może tylko kosmologia. – Ale jeśli idzie o bardzo, bardzo małe regiony Wszechświata, to kto wie – zastanawia się Leggett – być może strzałka czasu może tam ulec niekiedy odwróceniu, a skutek poprzedzić przyczynę? Każda z dotychczasowych wielkich rewolucji, począwszy od kopernikańskiej, wywracała do góry nogami intuicyjne przekonania o świecie, przypomina fizyk. I tylko jedno poważne założenie nie zostało dotąd zakwestionowane – że przeszłość determinuje przyszłość. Ale może bywa i na odwrót? Nie wchodząc w szczegóły, gdyby nie było to niemożliw