Andrzej Łukasik: Dialog 5. Bohra zasada komplementarności

Czy obiekty kwantowe wykazują sprzeczne własności? Co z zasadą niesprzeczności, która jest jedną z podstawowych zasad logiki klasycznej?

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2023 nr 2 (50), s. 32–33. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, wspominałeś już o zasadzie komplementarności (zob. A. Łukasik, Dualizm korpuskularno-falowy – eksperyment na dwóch szczelinach, „Filozofuj!” 2022, nr 6, s. 43–44). Często można się spotkać z tym pojęciem na przykład w mass mediach: mówi się o komplementarnych podejściach, komplementarnych rozwiązaniach itd. Ale co właściwie znaczy termin „komplementarność”?

Jaś: Pojęcie to jest, podobnie zresztą jak wiele innych technicznych pojęć z fizyki, często nadużywane i wykorzystywane w sytuacjach, które nie mają nic wspólnego z mechaniką kwantową. Zasadę komplementarności sformułował Niels Bohr i ma ona fundamentalne znaczenie w kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, której twórcami byli Bohr i Werner Heisenberg.

Małgosia: Co głosi zasada komplementarności i jaki ma związek z dualizmem korpuskularno-falowym, o którym już rozmawialiśmy?

Jaś: Jak wiadomo, w pewnych eksperymentach obiekty kwantowe (fotony czy elektrony) zachowują się podobnie jak klasyczne cząstki – przykładem może być zjawisko fotoelektryczne, w którym elektrony są wybijane z powierzchni metalu w rezultacie zderzenia z pojedynczymi cząstkami światła – fotonami, w innych eksperymentach natomiast obiekty kwantowe zachowują się podobnie jak klasyczne fale – najlepszym przykładem jest eksperyment na dwóch szczelinach, w którym obserwujemy interferencję cząstek, a więc efekt typowy dla fal. Jednak coś, co jest cząstką, nie może być falą, a obiekty kwantowe wykazują zarówno własności korpuskularne, jak i falowe.

Małgosia: Czy wobec tego obiekty kwantowe wykazują sprzeczne własności? Co zatem z zasadą niesprzeczności, która jest jedną z podstawowych zasad logiki klasycznej?

Jaś: Sprzeczność jest jedynie pozorna, ponieważ mechaniczne charakterystyki mikroobiektów jako cząstek lub jako fal odnoszą się do różnych i wykluczających się wzajemnie sytuacji obserwacyjnych. Jedynym sposobem badania mikroświata – poza formalizmem matematycznym – jest wykonywanie eksperymentów za pomocą różnych przyrządów pomiarowych. W zależności od tego, jakie wykonamy doświadczenie, możemy opisać zachowanie mikroobiektów „tak jakby” były falami (np. eksperyment interferencyjny) lub „tak jakby” były cząstkami (np. efekt fotoelektryczny). Charakterystyki mikroobiektów jako fal albo cząstek nie mają sensu, jeśli pozostają niezależne od tego, jakie doświadczenie wykonaliśmy, to znaczy jeśli są niezależne od zastosowanych przyrządów pomiarowych. Aby uzyskać pełną wiedzę na temat zachowania się elektronów czy fotonów, musimy znać zarówno ich aspekt korpuskularny, jak i falowy. Aspekty te odnoszą się jednak do wzajemnie wykluczających się sytuacji obserwacyjnych – nie są ze sobą sprzeczne, lecz właśnie komplementarne, to znaczy wykluczają się wzajemnie, ale równocześnie uzupełniają. Według Bohra komplementarne opisy są wyczerpującym opisem zjawisk mikroświata.

Małgosia: Ale pojęcia fali i cząstki są przeciwieństwami. Nie potrafię sobie wyobrazić mikroobiektu, który – w zależności od tego, jaki wykonamy eksperyment – będzie zachowywał się w taki albo inny sposób.

Jaś: Zgodnie z interpretacją kopenhaską mikroświat na zawsze pozostanie dla nas niewyobrażalny. Opisując rezultaty eksperymentów, musimy posługiwać się pojęciami fizyki klasycznej, ponieważ nie potrafimy ich zastąpić innymi. Jednak relacje nieoznaczoności ukazują granice stosowalności naszego języka do opisu mikroświata. Klasyczne pojęcia jedynie pozornie sobie przeczą, ponieważ stosują się do wykluczających się wzajemnie sytuacji obserwacyjnych, w których zawsze używamy makroskopowych, czyli opisywanych językiem fizyki klasycznej, przyrządów pomiarowych. Znajomość zachowania się mikroobiektów wymaga znajomości zarówno ich korpuskularnego, jak i falowego charakteru. Problem polega na tym, że aspektów tych, otrzymanych we wzajemnie wykluczających się sytuacjach eksperymentalnych, nie potrafimy „zobiektywizować” czy złożyć w poglądowy model niezależnej od użytej aparatury pomiarowej realności fizycznej, jak to ma miejsce w fizyce klasycznej.

Małgosia: To dlatego Bohr, gdy za swojej zasługi w dziedzinie fizyki uzyskał tytuł szlachecki, na zaprojektowanym przez siebie herbie rodowym umieścił symbole yin i yang oraz napis „contraria sunt complementa” – przeciwieństwa są komplementarne?

Jaś: Tak.

Małgosia: Czy własności komplementarne to jedynie korpuskularny i falowy aspekt zjawisk w mikroświecie?

Jaś: Nie. Mówiliśmy poprzednio o zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, która dotyczy pomiaru pędu i położenia cząstki elementarnej. W mechanice kwantowej istnieją również inne relacje nieoznaczoności – na przykład dla energii i czasu czy dla składowych spinu cząstki. Wielkości komplementarne są to pary wielkości fizycznych, których nie można jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością lub – mówiąc dosadniej – które nie są jednocześnie dokładnie określone. W formalizmie matematycznym mechaniki kwantowej wielkości fizyczne mierzalne nazywane są obserwablami. Reprezentują je pewne działania matematyczne (operatory hermitowskie działające w przestrzeni Hilberta), a działania niektórych operatorów na funkcję falową, reprezentującą stan układu kwantowego, są nieprzemienne. Wielkości wchodzące w relacje nieoznaczoności nazywamy właśnie komplementarnymi.

Małgosia: No dobrze, ale jaka jest fizyczna podstawa komplementarności i jakie wnioski filozoficzne dotyczące poznawalności świata z niej wynikają?

Jaś: Według Bohra w mikroświecie oddziaływanie przyrządu pomiarowego na obserwowany obiekt nie może być pominięte, co powoduje niemożliwość uzyskania informacji potrzebnej do zupełnego opisu zjawisk. W fizyce klasycznej oddziaływanie przyrząd–obiekt może być – teoretycznie rzecz biorąc – dowolnie małe lub możliwe do skompensowania i nie wpływa w istotny sposób na przebieg zjawiska. Proces pomiaru nie ma więc znaczenia poznawczego. W mechanice kwantowej, wykonując doświadczenia nad mikroobiektami, zawsze ingerujemy w badany układ i – ze względu na istnienie elementarnego kwantu działania Plancka – ingerencji tej nie możemy uczynić dowolnie małą.

Małgosia: To znaczy, że przedmiotem poznania w fizyce nigdy nie będzie „przyroda sama w sobie”, ale „przyroda wystawiona na nasze pytania”, i to, jaki aspekt zjawisk poznamy, zależy od tego, w jaki sposób przeprowadzimy eksperyment?

Jaś: Tak. „Widok znikąd”, najpełniej przedstawiony w mechanistycznej koncepcji przyrody przez Pierre’a Simona de Laplace’a, okazał się złudzeniem. Nie przypisujemy sobie wiedzy o tym, jak by wyglądał świat, gdyby go badać za pomocą narzędzi niewchodzących w jego skład. To, w jaki sposób badamy mikroświat, ma znaczący wpływ na wyniki eksperymentów – zachowanie przedmiotów w istotny sposób zależy od sposobu obserwacji i, opisując zjawiska mikroświata, nie możemy pominąć opisu aparatury, za pomocą której te zjawiska badamy. Jest to, według Bohra, najważniejsza „epistemologiczna lekcja”, jakiej udzielił nam rozwój fizyki atomowej.

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.