Damian Luty: Lokalność fizyki

Poważne potraktowanie fizyki kwantowej i eksperymentów typu EPR sprawia, że obraz świata materialnego oparty na codziennym ludzkim doświadczeniu okazuje się chybiony. W odniesieniu do fundamentalnego poziomu rzeczywistości w skali mikroświata potrzebujemy metafizyki, w której pierwszeństwo ma kategoria całości, a nie indywidualnych obiektów.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2022 nr 1 (43), s. 15–17. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Konkretność i lokalność

Klasyczna metafizyka traktuje świat materialny przede wszystkim jako kolekcję konkretnych obiektów. Arystoteles stwierdza w Metafizyce, że

substancji [temu, o czym stwierdzamy pewne cechy – dop. D.L.] przysługuje oddzielna egzystencja i byt jednostkowy (Arystoteles 1983, s. 162).

Gdy uderzam się małym palcem o nogę stołu – wchodzę w interakcję z obiektem konkretnym, ograniczonym przestrzennie i czasowo, stawiającym mi opór. Tylko takie obiekty (bądź ich zestawienia) wąchamy, dotykamy czy obserwujemy. Oznacza to, że przedstawiony powyżej pogląd jest zgodny z naszym potocznym doświadczeniem: świat fizyczny z perspektywy podmiotu ludzkiego jest mozaiką konkretnych stanów rzeczy (faktów). Stany rzeczy mogą dotyczyć pojedynczych obiektów bądź zbioru takich obiektów.

W ramach fizyki opis stanów rzeczy oznacza przedstawienie ich jako układów fizycznych, którym można przypisać określone, mierzalne wielkości (pęd, położenie, masa itp.). Powiemy, że układy przyjmujące określone wartości liczbowe dla pewnych wielkości mają pewien stan fizyczny. Właśnie takie układy są lokalne. Albert Einstein razem ze swoimi współpracownikami – Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem – sformułował obronę lokalności w fizyce w artykule pt. Czy opis kwantowomechaniczny rzeczywistości fizycznej można uważać za zupełny?, gdzie przedstawił pogląd nazwany później realizmem lokalnym. Można stwierdzić, że realizm lokalny jest stanowiskiem, zgodnie z którym: (1) jeżeli da się jednoznacznie ustalić stan danego układu fizycznego, to uzyskane wielkości liczbowe odnoszą się do rzeczywistości (realizm); (2) jeżeli układ zostanie podzielony, to nie zachodzi żadne oddziaływanie między uzyskanymi częściami (lokalność). Skupię się głównie na tezie (2); teza (1) dotyczy kwestii prawdopodobieństwa kwantowego.

Lokalność rozumiana jako cecha teorii fizycznej oznacza zatem, że rzeczywiste wartości układów fizycznych można wyznaczać jedynie dla oddzielonych od siebie obiektów bądź złożonych z konkretnych obiektów większych całości. Jeżeli potrę o siebie dwie piłki, a następnie rzucę je na przeciwległe strony boiska (czyli rozdzielę układ), to, co zrobię później z jedną z tych piłek, nie będzie miało żadnego wpływu na to, co się stanie z drugą piłką. Jeżeli potnę kartkę papieru na mniejsze części, moje oddziaływanie na jedną część (np. podpalenie jej) nie powinno mieć żadnego wpływu na pozostałe, oddzielone części. Jeżeli wystrzelę kulę armatnią w stronę wroga, to wystrzał ten nie będzie miał żadnego wpływu na oddalone o 5000 km drzewo.

Rewolucja kwantowa i pierwszeństwo całości

Pojawienie się mechaniki kwantowej (szerzej: fizyki kwantowej) w pierwszej połowie XX w. zmieniło diametralnie zarysowaną wyżej wizję świata. Fizyka kwantowa daje nam najbardziej podstawowe reguły rządzące mikroświatem, w tym mikroobiektami takimi jak elektrony, fotony. Obiektów tych nie obserwujemy bezpośrednio gołym okiem, ale możemy nimi manipulować za pomocą odpowiedniej aparatury badawczej. Fizyka kwantowa towarzyszy nam od ok. 100 lat i teorie, które tę fizykę tworzą, przeszły najbardziej wymagające testy eksperymentalne, a obecnie trwają prace nad komputerami kwantowymi, które działałyby ok. 100 razy szybciej niż „standardowe” komputery.

Kłopoty z fizyką kwantową nie są związane z jej skutecznością. Główne problemy mają charakter interpretacyjny – fizyka ta bowiem dostarcza obrazu świata materialnego radykalnie odmiennego od obrazu uświęconego tradycją klasycznej metafizyki substancji. Mechanika kwantowa bezbłędnie pozwala na przewidzenie i sprawdzenie zjawisk, których nie da się spójnie wyjaśnić, jeżeli w swoich przekonaniach na temat rzeczywistości kurczowo trzymamy się fizyki klasycznej.

Jednym z głównych zjawisk tego typu jest splątanie kwantowe będące przykładem nielokalności kwantowej. Wyobraźmy sobie odpowiednio przygotowany w laboratorium kwantowy układ fizyczny składający się z dwóch elektronów. Mikroobiekty te są ze sobą powiązane związkiem fizycznym – są w stanie splątanym. Każdy z elektronów ma określoną własność nazywaną spinem. Dla uproszczenia możemy przyjąć, że spin to po prostu kierunek obrotu elektronu – w górę lub w dół. W omawianym eksperymencie jest równie prawdopodobne, że oba elektrony będą miały spin w górę lub w dół. Dopiero pomiar elektronów po rozdzieleniu pozwala ustalić, który elektron ma jaki spin. Wszystkie eksperymenty tego typu pokazały, że ilekroć sprawdzimy spin jednego elektronu, spin drugiego natychmiast ustawia się w przeciwną stronę, niezależnie od odległości między nimi. Z perspektywy fizyki niekwantowej wygląda to tak, jak gdyby jeden elektron błyskawicznie przekazywał drugiemu informację, jakie ustawienie ma przyjąć, co Einstein nazwał „upiornym oddziaływaniem na odległość”. Tymczasem zasady fizyki kwantowej wyraźnie wskazują na to, że dwa elektrony cały czas pozostawały fizycznie powiązane, niezależnie od dzielącej ich przestrzeni. W 2017 r. ogłoszono wyniki kolejnego pomyślnego testu kwantowego splątania za pomocą chińskiego satelity Micjusz (Micius), w którym zbadano elektrony oddzielone od siebie aż o 1203 kilometry.

Pierwotnie koncepcja powyższego eksperymentu została przedstawiona jako eksperyment myślowy służący teoretycznemu wykazaniu absurdalności mechaniki kwantowej! Pomysł ten został wysunięty właśnie przez Einsteina, Podolskiego i Rosena w przywołanym wcześniej artykule, a sam eksperyment nazywany jest eksperymentem EPR, właśnie od pierwszych liter nazwisk tych fizyków. Realizmu lokalnego należało bronić przed konsekwencjami mechaniki kwantowej – tym bardziej że Einstein i współpracownicy traktowali realizm lokalny jako warunek niezbędny uprawiania fizyki w ogóle. Splątanie kwantowe zostało jednak wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie, co sugeruje następujący wniosek: na fundamentalnym poziomie świata materialnego nielokalność odgrywa fizycznie istotną rolę. Nielokalność jako cecha teorii naukowej oznaczałaby zatem, że z takiej teorii wynikają przewidywania zjawisk omawianego typu.

Filozoficzne konsekwencje splątania kwantowego

Kwestia nielokalności rodzi wiele dyskusji w ramach filozofii fizyki. Po pierwsze, poważne potraktowanie mechaniki kwantowej prowadzi do odrzucenia wizji świata materialnego jako istniejących obok siebie stanów rzeczy i dających się jednoznacznie oddzielać obiektów. Raczej jest tak, że – fundamentalnie – świat materialny stanowi pewną powiązaną ze sobą w fizycznie istotny sposób całość. Po drugie, okazuje się, że materia na poziomie mikro zachowuje się kompletnie inaczej niż obiekty makroskopowe, których doświadczamy bezpośrednio. Części układu splątanego pozostają ze sobą połączone nawet po ich przestrzennym rozdzieleniu; to tak, jak gdyby kopnięcie jednej z dwóch piłek będących po dwóch stronach boiska wpływało natychmiast na to, co się dzieje z drugą piłką (nawiązując do wcześniejszego przykładu). Można stąd wyciągać wnioski na temat pewnej postaci fizycznego dualizmu: istnieje niedająca się zakopać przepaść między rzeczywistością opisywaną przez fundamentalną fizykę a rzeczywistością opisywaną z perspektywy ludzkiego świata. Istnieją wszakże próby pogodzenia tych dwóch perspektyw: ostatecznie wszelkie eksperymenty, badania czy obserwacje dokonywane są przecież przez człowieka. David Bohm zaproponował takie ujęcie mechaniki kwantowej, w której istnieją lokalne ukryte zmienne fizyczne „ustawiające” wartości pomiarów mikroobiektów. Niestety takie wielkości fizyczne okazują się ukryte na zawsze – o ile teoria Bohma jest teorią spójną, to jednak wprowadzanie do fizyki wielkości, o których z góry wiadomo, że nie da się ich zmierzyć, jest podejrzane.

Fizyka kwantowa stanowi fundamentalną teorię materii, nie wynika z tego jednak, abyśmy mieli automatycznie rezygnować z teorii lokalnych, które są użyteczne w pewnych fragmentach świata. W praktyce naukowej teorie kwantowe i niekwantowe nie muszą wchodzić sobie w drogę. Jeżeli czegoś nauczyła nas rewolucja kwantowa w nauce, to na pewno tego, że nie można z góry przesądzać, że istnieje jeden określony sposób formułowania skutecznych teorii naukowych. Metafizyka obiektów konkretnych i lokalnych stanów rzeczy będąca naturalną metafizyką fizyki klasycznej ma poważne kłopoty w świecie kwantowym. To wystarczy, aby nie domagać się lokalności w teoriach fizycznych za wszelką cenę.

Damian Luty – nauczyciel etyki i filozofii w szkole podstawowej i liceum. Realizuje grant badawczy na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza, autor książki Ontologie strukturalne czasoprzestrzeni, która ukaże się w 2022 r. Jego zainteresowania zawodowe dotyczą historii nauki, filozofii fizyki, filozofii nauki, edukacji filozoficznej, etyki praktycznej, psychologii moralności. W wolnych chwilach poświęca czas bliskim osobom, czyta książki, jest graczem konsolowym, chodzi do kina.