Artykuł Meta-fizyka kwantowa

Andrzej Łukasik: Dialog 2. Starsza teoria kwantów i kształtowanie się nowego obrazu świata

Wiemy dzisiaj, że kwantowy charakter zjawisk jest fundamentalną cechą przyrody, a prawa fizyki klasycznej są jedynie przybliżeniem.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 5 (47), s. 26–27. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.


Małgosia: Jasiu, mówiłeś poprzednim razem, że fale mogą zachowywać się jak cząstki, a cząstki jak fale. Skąd o tym wiemy?

Jaś: Wszystko zaczęło się od Maxa Plancka, który w 1905 r., formułując teorię opisującą oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią, zmuszony był przyjąć założenie, że energia nie jest pochłaniana i wysyłana przez promieniujące ciała w sposób ciągły, ale w postaci dyskretnych „paczek” energii, zwanych kwantami. Energia kwantu jest proporcjonalna do jego częstości, co wyraża wzór E = hv. Wielkość h nazywamy dziś stałą Plancka. Jest to jedna z fundamentalnych stałych fizycznych, zwana elementarnym kwantem działania, a działanie to wielkość fizyczna o wymiarze iloczynu energii i czasu (czyli dżul razy sekunda w układzie jednostek SI).

Małgosia: Co w tym dziwnego?

Jaś: Zgodnie z teorią elektromagnetyzmu Maxwella światło (czy, ogólniej mówiąc, promieniowanie elektromagnetyczne) jest ciągłą falą, a energia fali jest proporcjonalna do amplitudy fali, a nie do jej częstości. Wysokie fale, takie jak tsunami, mają olbrzymią energię, fale o małej amplitudzie mają małą energię. Z punktu widzenia fizyki klasycznej częstość fali nie ma żadnego związku z jej energią. Ponadto filozofowie i fizycy od wieków byli przekonani, że wszystkie zmiany w przyrodzie mają charakter ciągły, to znaczy, że „natura nie czyni skoków” (natura non facit saltus). Filozof Gottfied Wilhelm Leibniz sądził nawet, że jednym z podstawowych praw przyrody jest prawo ciągłości (lex continui). Wiemy jednak dzisiaj, że kwantowy charakter zjawisk jest fundamentalną cechą przyrody, a prawa fizyki klasycznej są jedynie przybliżeniem.

Małgosia: To znaczy, że światło jest naprawdę zbiorem cząstek poruszających się w próżni?

Jaś: Tak, ale to odkrył dopiero Albert Einstein, formułując w 1905 r. teorię zjawiska fotoelektrycznego. Właśnie za to, a nie za teorię względności, otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w roku 1921. Zjawisko to polega na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu przez padające światło – na tej zasadzie działają na przykład dobrze znane nam fotokomórki. Efekt ten można wyjaśnić tylko wówczas, jeśli światło składa się z cząstek czy kwantów energii, które nazywamy fotonami. Energia każdego fotonu wyraża się wzorem E = hv, a jego pęd, czyli wielkość charakteryzująca aspekt korpuskularny, jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali p = h/λ.

Małgosia: Czy to już wszystko?

Jaś: Jeszcze nie. Gdy pod koniec XIX w. odkryto elektrony – pierwsze cząstki materii drobniejsze niż atomy – fizycy próbowali opisać wewnętrzną budowę atomów, stosując prawa fizyki klasycznej. Wyobrażano sobie atomy jako miniaturowe układy planetarne – w modelu zaproponowanym przez Ernesta Rutherforda, zwanym planetarnym modelem atomu, wokół zawierającego niemal całą masę i cały ładunek dodatni jądra krążyły ujemnie naładowane elektrony.

Małgosia: Ale wiemy dzisiaj, że atom w ogóle nie przypomina miniaturowego układu planetarnego, a prawa obowiązujące w mikroświecie są zupełnie odmienne od tych, które znamy z codziennego doświadczenia. Obraz atomu podobny do układu planetarnego to jedynie metafora.

Jaś: Niels Bohr w 1913 r. opracował model atomu wodoru, który był częściowo oparty na planetarnym modelu Rutherforda, ale uzupełniony niezgodnymi z fizyką klasyczną postulatami kwantowymi. Zgodnie z nimi elektrony mogą krążyć wokół jądra tylko po skwantowanych orbitach w ściśle określonych odległościach od jądra. Elektron, krążąc po takiej „stacjonarnej” orbicie, nie promieniuje energii.

Małgosia: Jednak zgodnie z teorią Maxwella powinien promieniować i spaść na jądro w ciągu ułamka sekundy.

Jaś: Ale nie promieniuje – tak stwierdził Bohr. Gdyby elektron promieniował, atomy nie mogłyby być stabilne, a emitowane przez nie światło miałoby widmo ciągłe.

Małgosia: No dobrze, a skąd właściwie bierze się światło?

Jaś: Kiedy elektron „przeskakuje” z jednej orbity na drugą (na przykład położoną bliżej jądra), wysyła energię w postaci fotonu. Ponieważ atomy danego pierwiastka mają ściśle określone „orbity” elektronowe, to każdy pierwiastek ma charakterystyczne widmo atomowe. Linie widmowe są charakterystyczne dla atomów danego pierwiastka niczym linie papilarne dla ludzi.

Małgosia: Ale jak to możliwe, aby elektron „przeskakiwał” między orbitami, jeśli nie może znajdować się w żadnym miejscu pomiędzy jedną orbitą a drugą? Jeśli ja idę do ciebie, to muszę pokonać wszystkie miejsca dzielące mój dom od twojego. Czyżby elektrony mogły się teleportować podobnie jak bohaterowie w filmach science fiction?

Jaś: Jeśli bardzo chcesz, możesz tak to sobie wyobrażać, ale pamiętaj, że nasza wyobraźnia często zawodzi w odniesieniu do mikroświata. Taki sposób mówienia to też jedynie metafora.

Małgosia: Czytałam jeszcze o koncepcji „fal materii”, którą zaproponował Louis Victor de Broglie w 1924 r. w swojej pracy doktorskiej. Podobno promotor jego doktoratu Joseph John Thomson napisał: „idee autora były oczywiście niedorzeczne, ale zostały przedstawione z taką elegancją i błyskotliwością, że dopuściłem pracę do obrony”.

Jaś: Hipoteza ta głosi, że z każdą cząstką materii o pędzie p powiązana jest „fala materii” o długości λ = h/p. Zgodnie z nią, podobnie jak ciągłe fale mają aspekt korpuskularny w postaci cząstek – fotonów, cząstki materii mają aspekt falowy.

Małgosia: Fale mogą się na siebie nakładać, co nazywamy interferencją. Wszyscy widzieli takie interferujące fale na wodzie. Czy to znaczy, że elektrony mogą również interferować?

Jaś: Tak – już doświadczenia Clintona Davissona i Lestera Germera przeprowadzone prawie 100 lat temu (1927) to potwierdziły. Dzisiaj fizycy obserwują interferencję dość dużych obiektów, takich jak fulereny – cząstki zbudowane z 70 atomów węgla i jeszcze większe. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy, podobnie jak kwantowy charakter zjawisk, jest powszechną własnością materii i promieniowania.

Małgosia: I tego dotyczy sławny eksperyment na dwóch szczelinach?

Jaś: Tak. Przeanalizujemy go dokładnie następnym razem.


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.

Tekst jest dostępny na licencji: Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.
W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

< Powrót do spisu treści numeru.

Ilustracja: Mira Zyśko

Najnowszy numer można nabyć od 2 stycznia w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2023 można zamówić > tutaj.

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

Skomentuj

Kliknij, aby skomentować

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Polecamy