Andrzej Łukasik: Dialog 1. Klasyczny obraz świata i jego upadek

Jeden z najwybitniejszych fizyków XX w. Richard Feynman powiedział: „Nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 4 (46), s. 32–33. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, czytałam, że mechanika kwantowa spowodowała upadek klasycznego obrazu świata i była jedną z dwóch (obok teorii względności Einsteina) wielkich rewolucji naukowych w fizyce XX w. Wiem, że podczas rewolucji zachodzą wielkie zmiany, ale jaki to jest ten klasyczny obraz świata?

Jaś: Jest to ten obraz świata, który został skonstruowany na bazie fizyki klasycznej, czyli fizyki Isaaca Newtona – autora dzieła Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematyczne zasady filozofii przyrody, 1687), w którym przedstawił on trzy zasady dynamiki, prawo powszechnego ciążenia i swoje poglądy na czas i przestrzeń. Na obraz ten składają się absolutna przestrzeń, absolutny czas, ciała posiadające masę oraz siły działające między nimi. Ruch ciał jednoznacznie określają zasady dynamiki. Jest to obraz świata łatwy do wyobrażenia i zgodny z naszą intuicją, ponieważ pojęcia fizyki Newtona zaczerpnięte są z codziennego doświadczenia. Świat przypomina wielki mechanizm, dlatego obraz ten nazwano filozofią mechanicyzmu.

Małgosia: Rozumiem doskonale, co to znaczy, że mam masę, i żeby podnieść książkę, muszę zadziałać pewną siłą. Ale co to znaczy, że przestrzeń i czas są absolutne?

Jaś: Wyobraź sobie, że ze świata znikają wszystkie ciała – aż do ostatniego atomu. Co pozostaje?

Małgosia: Takie duże… nic. Coś jakby pojemnik na ciała, bez granic i nieskończony. Czy to jest przestrzeń absolutna?

Jaś: Tak. Według Newtona przestrzeń absolutna istnieje niezależnie od ciał i istniałaby nawet wtedy, gdyby na świecie nie było żadnych ciał. Można sobie przecież wyobrazić, że istnieje pusta przestrzeń pozbawiona ciał, ale nie można wyobrazić sobie, że ciała istnieją poza przestrzenią. Przestrzeń absolutna jest niczym scena w teatrze, która istnieje niezależnie od tego, czy trwa przedstawienie, czy nie. Przestrzeń absolutna istnieje niezależnie od ciał i ma określone własności: jest nieskończona, izotropowa (nie posiada wyróżnionego kierunku), jednorodna (wszystkie jej punkty są sobie równoważne). Jej własności opisywane są geometrią Euklidesa.

Małgosia: To rzeczywiście łatwo sobie wyobrazić. Ale co to jest czas absolutny? Czy to jest czas, który istniałby, gdyby nic się nie działo na świecie?

Jaś: Zdaniem Newtona tak. Absolutny, prawdziwy, matematyczny czas płynie sam z siebie, bez względu na cokolwiek zewnętrznego i inaczej nazywa się „trwaniem”. Gdyby nie było żadnych zdarzeń w świecie, istnienie absolutnego czasu polegałoby na trwaniu absolutnej przestrzeni.

Małgosia: To dość dziwne. Czytałam, że tacy filozofowie jak Arystoteles, Epikur czy św. Augustyn łączyli czas ze zmianami w świecie albo przynajmniej ze zmianami stanu naszych myśli. Pogląd Newtona jest bardzo radykalny – rzeczywiście „absolutystyczny”. A co by się stało, gdybyśmy w początkowo pustej przestrzeni umieścili ciała?

Jaś: Własności przestrzeni absolutnej są określone niezależnie od tego, czy są w niej ciała czy też nie. Twoje pudełko dla kota nie zmienia przecież kształtu w zależności od tego, czy jest w nim kot czy go nie ma.

Małgosia: Zatem przestrzeń absolutna i absolutny czas to taka „arena zdarzeń”. Rozumiem także, że gdy chcę podnieść książkę, muszę jej dotknąć i zadziałać siłą. Ale jak to się dzieje, że Księżyc, który znajduje się w odległości ok. 380 000 km od Ziemi, krąży wokół niej? Między Ziemią a Księżycem jest tylko pusta przestrzeń, skąd zatem Księżyc „wie”, że Ziemia go przyciąga? Jaka jest tego przyczyna?

Jaś: To za sprawą siły grawitacji – tej samej, która powoduje spadanie jabłka na ziemię. Newton pisał, że podaje tylko matematyczny opis grawitacji – siła ta jest proporcjonalna do iloczynu mas przyciągających się ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Wszystkie ciała we Wszechświecie przyciągają się siłą grawitacji. Nie znał jednak przyczyn grawitacji i pisał: „hipotez nie wymyślam” (hypotheses non fingo). Takie oddziaływanie na odległość fizycy nazywają nielokalnością.

Małgosia: Zatem przestrzeń i czas, poruszające się ciała i działające siły to cały klasyczny obraz świata?

Jaś: Niezupełnie. Fizycy badali również zjawiska elektryczne i magnetyczne. James Clerk Maxwell sformułował równania elektrodynamiki klasycznej, w których światło jest ciągłą falą elektromagnetyczną.

Małgosia: Zatem klasyczny obraz świata oprócz przestrzeni i czasu oraz dyskretnych (czyli o charakterze nieciągłym) cząstek materii działających na siebie siłami został wzbogacony o ciągłe fale elektromagnetyczne?

Jaś: Tak. Zgodnie z fizyką klasyczną istnieją cząstki materii i fale promieniowania. Ich dynamikę opisują prawa Newtona i prawa Maxwella.

Małgosia: To bardzo prosty obraz świata. A na czym polega rewolucja związana z powstaniem mechaniki kwantowej?

Jaś: Na początku XX w. okazało się, że ciągłe promieniowanie elektromagnetyczne jest zbiorem dyskretnych cząstek, zwanych fotonami, natomiast z każdą cząstką materii, taką jak elektron, związana jest fala. Fale mają aspekt korpuskularny, a cząstki – aspekt falowy. Fizycy nazywają to dualizmem korpuskularno-falowym.

Małgosia: Ależ to niemożliwe. Przecież cząstka nie może być falą, a fala nie może być cząstką. Nie można sobie tego wyobrazić i nie rozumiem tego.

Jaś: Nie przejmuj się. Jeden z najwybitniejszych fizyków XX w. Richard Feynman powiedział „Nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. Jeśli już to zaakceptujemy, możemy porozmawiać o eksperymencie na dwóch szczelinach, uznanym w 2002 r. przez czasopismo „Physics World” za najpiękniejszy eksperyment w fizyce. Jak pisał Feynman, zawiera on wszystkie tajemnice mechaniki kwantowej.

Małgosia: Wyjaśnisz mi to następnym razem?

Jaś: Niczego nie wyjaśnię, a jedynie opiszę. Cząstki kwantowe potrafią robić więcej niemożliwych rzeczy niż Alicja w Krainie Czarów.

Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.