Nawet fizycy nie rozumieją mechaniki kwantowej

9-go września b.r. gazeta New York Times opublikowała artykuł Seana Carrolla p.t. „Nawet fizycy nie rozumieją mechaniki kwantowej”. Sean Carroll jest znanym fizykiem, profesorem na Caltechu, Wikepdia  uznaje przy tym za stosowne podkreślić fakt, że jest on ateistą

Artykuł Seana Carrolla opublikowany w gazecie o dużym zasięgu i wielkiej renomie, oznacza prawdopodobnie nie tylko to, że autor w ten sposób chce zareklamować swą nową książkę. Oznacza także,  że faktycznie mamy tu problem.

Już w pierwszym zdaniu cytuje Carroll aforyzm Feynmana, który miał stwierdzić:

“I think I can safely say that nobody really understands quantum mechanics,”

„Mogę śmiało powiedzieć, że tak naprawdę, to nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”.

Po czym dodaje:

„What’s surprising is that physicists seem to be O.K. with not understanding the most important theory they have.”

„Zdumiewające jest to, że fizycy zdają się nie przejmować tym, że nie rozumieją tej najważniej z teorii które posiadają.”

Nie będę przytaczał tekstu artykułu z NYT. Każdy zainteresowany może tam zajrzeć i użyć internetowego tłumacza. Osobiście polecam https://www.deepl.com/translator.

Moje ostanie notki na temat mechaniki kwantowej spowodowały to, że otrzymałem trochę korespondencji od Czytelników mojego bloga. Przed napisaniem niniejszej notki poprosiłem jedną z Czytelniczek by zechciała się wypowiedzieć na temat w.w. artykułu w New York Times, chciałem bowiem porównać mój punkt widzenia z punktem widzenia postronnego zainteresowanego tematyką obserwatora. Otrzymałem odpowiedź, którą przytaczam w całości. Uważam, że jest to niezwykle cenne uzupełnienie. I, prawdę mówiąc, podpisuję się pod każdym zdaniem poniższego tekstu,  choć nie byłbym nigdy w stanie moich myśli równie dobrze sformułować.

Oto więc tekst, który otrzymałem dziś rano od (anonimowej) Czytelniczki. Oddaję Jej głos.

Sugestie

“I think I can safely say that nobody really understands quantum mechanics,”. 

Na początku wzięłabym pod uwagę samą definicję rozumienia, a dla ilustracji odwołałabym się  do  kwestii  hermeneutycznych.  Hermeneutyką,  w  ogólności,  nazywa  się  sztukę interpretacji tekstów. W metodologii nauk humanistycznych przyjmuje się zaś, że każdy tekst posiada  niezliczoną  liczbę  interpretacji  i  nie  ma  możliwości  aby  jednoznacznie  stwierdzić, która spośród interpretacji jest najbardziej trafna. Język nie pozwala bowiem na dookreślenie
wszelkich  myśli,  które  osoba  pisząca  tekst  lub  wypowiadająca  się,  chciałaby  wyrazić.  W konsekwencji  dochodzi  do  tego,  że  dwie  osoby  interpretujące  dany  tekst  mogą  obie  „mieć rację”, nawet jeżeli ich stanowiska są przeciwne, a przynajmniej tak należy rozpatrywać ten problem z filozoficznego punktu widzenia.

Następnie  warto  poruszyć  kwestię  rozumienia  wielokontekstowo.  Można  bowiem  rozumieć dany  język,  co  zwykle  oznacza,  że  rozumiejący  jest  w  stanie  dopasować  wyobrażenia  do słyszanych lub czytanych słów. Można też rozumieć emocje drugiej osoby, mówi się wtedy o empatii.  Czy  tak  jest  w  istocie?  Mnie  wydaje  się,  że  rozumiem  osobę,  która  czuje  swego rodzaju  egzystencjalny  ból,  gdyż  sama  przeszłam  coś,  co  nazywałam  podobnie.  Nie  mogę mieć  jednak  pewności  co  do  tego,  że  druga  osoba  przeżywa  to  na  sposób,  na  który  ja przeżywałam, jak i, prawie na pewno, do tych przeżyć doprowadziły ją inne doświadczenia, różniące się od moich. Ze względu na względne podobieństwo może jednak zdarzyć się tak, że moje rady będą dla niej cenne. Rezonans nie zachodzi bowiem tylko przy równości. Tak jest w matematyce. W fizyce istnieje pewna tolerancja.

Co szczególnie istotne, w kontekście mechaniki kwantowej, należy zauważyć, że rozumienie jest  stopniowalne.  Mogę  uznać,  że  rozumiem  pewne  wyrażenie,  językowe,  matematyczne, termin filozoficzny. Mogę nawet być zdolna do dokonania nań wybranych operacji, ale czy to rzeczywiście oznacza, że je rozumiem? 

Moi uczniowie w liceum niedawno zapoznali się z terminem pochodnej. Co więcej, potrafią oni  policzyć  pochodne,  wiedzą  kiedy  powinni  je  policzyć,  a  nawet  umieją  policzyć  je  z definicji. Czy to oznacza, że je rozumieją? W pewnym stopniu tak. A czy postrzegają ją jako miarę szybkości zmian wartości funkcji względem zmian jej argumentów? Czy utożsamiają ją z prędkością, którą z kolei rozpatrują jako miarę szybkości modyfikacji przestrzeni w czasie? Wydaje mi się, że nie zastanawiają się nad tym. 

A kiedy czyta się filozofię niemiecką ponownie pojawiają się kwestie, które rozumieć można w  pewnym  stopniu.  Husserl,  pisząc  o  czasie,  bardzo  często  odwołuje  się  do  ekwiwokacji. Jestem na ekwiwokację wrażliwa i zauważam ją niemal na każdym kroku. Wystarczy przez chwilę  posłuchać  dowolnie  wybranej  rozmowy  między  losowymi  osobami.  Rozmowa  się
toczy, ale tak naprawdę żadna z osób nie dookreśla w pełni tego, co ma na myśli. Nawet jeżeli przedmiotem rozmowy jest sprawa prosta i banalna, taka jak wyjście do sklepu lub na spacer to słowa, które padają wywołują odmienne wyobrażenia u każdej ze stron. W  filozofii  niemieckiej z kolei, a szczególnie w filozofii Hegla, występuje  mnogość zdań  i terminów, którym przypisać można bardzo różne znaczenia. Opinie specjalistów są tu bardzo rozbieżne. Niektórzy nazywają Hegla skrajnym irracjonalistą, inni mówią, że tworzy swego rodzaju nowy nurt logiki.

Powracając jednak do mechaniki kwantowej, wydaje mi się, że mówienie o jej rozumieniu lub nierozumieniu całą problematykę zbędnie upraszcza. Przeciętny student fizyki zazwyczaj wie, że  obiekty  kwantowej  zachowują  się  „inaczej”  aniżeli  klasyczne.  Wykładowcy  najczęściej mówią mu, że aby właściwie tę mechanikę kwantową uprawiać nie powinno się polegać na
swojej  intuicji,  ale  na  ścisłym  formalizmie  matematycznym.  Ale  czy  osoba,  która  potrafi nawet  i  wszystko  wyliczyć,  rzeczywiście  rozumie  co  liczy?  Czy  komputer,  który  przelicza skomplikowane  formuły  naprawdę  je  rozumie?  Wcale  nie  mówię,  że  nie  rozumie,  ale zapewne rozumie je w inny sposób aniżeli człowiek.

Łatwo zauważyć, że to, co opisuje  mechanika kwantowa nie  jest dla przeciętnego odbiorcy intuicyjne.  Intuicja  podpowiada  bowiem,  że  teorią  właściwą  jest  mechanika  klasyczna.  Jej założenia  zdają  się  w  większości  zgodne  z  tym,  co  możemy  każdego  dnia  osobiście zaobserwować,  są  zgodne  z  naszym  doświadczeniem,  z  naszą  osobistą  strukturą
fenomenologiczną. 

Z drugiej strony jednak, dla tych, którzy dużo myślą o czasie coś może się tu nie zgadzać. Jak bowiem  stwierdzić  można,  że  czas  jest  absolutny  i  niezależny  od  wszystkiego,  w  tym  od przestrzeni?  Jak  wówczas  ktokolwiek  mógłby  ten  upływ  czasu  zaobserwować?  Czas uzależniony jest przecież od zdarzeń! I tak też brzmiał główny zarzut Leibniza w stosunku do
teorii Newtona.  Następna zadziwiająca kwestia:

„The  whole  thing  is  preposterous.  Why  are  observations  special?  What  counts  as  an “observation,”  anyway?  When  exactly  does  it  happen?  Does  it  need  to  be  performed  by  a person?  Is  consciousness  somehow  involved  in  the  basic  rules  of  reality?  Together  these questions are known as the “measurement problem” of quantum theory.”.

I  tu  ponownie  pojawia  się  problem  stanowiska  ontologicznego  i  epistemologicznego. Przeciętna  osoba  przyjmuje  stanowisko,  które  zdaje  się  najbardziej  intuicyjne.  Być  może kiedy zostanie o nie zapytana, udzieli innej odpowiedzi, ale w życiu codziennym najczęściej uważa, że rzeczy istnieją obiektywnie, niezależnie od obserwatora. 

Czasami zadawałam takim „losowym” osobom następujące pytanie: Jak myślisz, czy gdyby nie  istniało  życie  to  czas  by  upływał?  Być  może  podobne  do  pytania  o  Księżycu,  ale zdecydowanie wolałam wersję z czasem. Oczywiście większość osób bez zawahania udziela odpowiedzi  twierdzącej.  Ale  dlaczego?  Jeżeli  przyjąć  koncepcję  czasu  Husserla  to odpowiedzieć  powinno  stanowić  krzyczące  zaprzeczenie,  jeśli  przyjąć  koncepcję  Newtona, należy odpowiedzieć „tak”. 

Nie  wiem  czy  przy  pomocy  jakiegokolwiek  doświadczenia  mogę  upewnić  się,  że  poniższa koncepcja nie jest prawdziwa:

Na sposób transcendentny czas nie istnieje. Następujące „po sobie” konfiguracje przestrzenne w  rzeczywistości  istnieją  jednocześnie.  To  tylko  mózg  wraz  z  umysłem  tworzą  wrażenie upływu  czasu  aby  istota  ludzka  mogła  doświadczać.  Wrażenie  to  nie  jest  jednak  zgodne  z rzeczywistością, to swego rodzaju hipnoza, genialny koncept biologii.  Obserwator  zdaje  się  stanowić  teraz  centrum  wszelkich  wydarzeń,  ale  może  to  tylko antropocentryczna  ułuda?  Kolejne  fałszywe  wrażenie  utworzone  tylko  po  to  byśmy  mogli doświadczać.  W  końcu  biologia  tak  bardzo  „stara  się”  o  życie,  jak  i  o  przekonanie  jego reprezentantów o swojej wyjątkowości.

„We  describe  a  quantum  object  such  as  an  electron  in  terms  of  a  “wave  function,”  which collects  the  superposition  of  all  the  possible  measurement  outcomes  into  a  single mathematical object.”. Czy  to  jest  aż  tak  dziwne?  Przyzwyczailiśmy  się  tak  bardzo  do  myślenia  na  sposób  logiki Arystotelesa. Albo coś jest albo nie jest. Albo obiekt  ????  znajduje się w punkcie  ????  w chwili  ????  albo nie.

Ponownie,  zdaje  się  to  tak  bardzo  nieintuicyjne.  Ale  przecież  w  artykule  zaznaczono,  że chodzi  o  obiekt  matematyczny.  Obiekty  matematyczne  bywają  nieintuicyjne,  a  poza  tym mowa o mikroświecie. Przyzwyczajeni jesteśmy do makrostruktur. Często pytam uczniów o to czy atom ma temperaturę lub jak wygląda. Zazwyczaj się nad tym zastanawiają. 

Doświadczenia  takie  jak  na  przykład  te  z  użyciem  skaningowego  mikroskopu  tunelowego pozwalają  na  „zaobserwowanie”  tak  zwanej  struktury  atomowej.  Tak  naprawdę  niczego jednak  nie obserwujemy. Otrzymujemy  jedynie  informację o przepływie prądu tunelowego, która następnie pozwala nam utworzyć całkiem imponujące grafiki, na przykład powierzchni grafitu. 

Obserwacja dotyczy poziomu optycznego. Poziom elektronowy nie jest obserwacją, stanowi jedynie  swego  rodzaju  wyobrażenie,  alegorię  nieobserwowalnego.  Nie  ma  nic  dziwnego  w tym,  że  wykonując,  a  następnie  interpretując  dowolny  eksperyment,  staramy  się  otrzymane rezultaty empiryczne ubrać w znane nam i bliskie naszej intuicji terminy. 
Nie  należy  jednak  zapominać  o  tym,  że  obiekty  mikroświata,  być  może,  na  inny  sposób realizują swój byt. Zaprawdę, tak wiele osób chciałoby aby wszelkie obiekty realizowały byt na  sposób  im  znany  i  dla  nich  intuicyjny,  na  taki  sposób,  na  który  oni  sami  istnienie postrzegają. A może jest tak, że te obiekty mikroświata „nie istnieją”, ale należałoby dla ich
specyfiki „bycia” skonstruować nowe wyrażenie?

Kiedy jednak materia zaczyna istnieć tak jak istnienie rozumiemy? Gdzie leży granica? Czy jest  dyskretna,  ciągła,  a  może  to  wcale  nie  jest  tak?  Może  pojęcie  granicy  nie  powinno  w ogóle znajdować się w spektrum naszych rozważań, gdyż jest to byt sztuczny? A może nie ma wcale wielu elektronów, protonów, fotonów. A może każdy z tych obiektów „istnieje” tylko jeden „raz”. Pozostałe stanowią swego rodzaju realizacje tej jednej idei. Może one wcale nie są „fizyczne”, ale całkowicie inne, mentalne, substancjalne, jakkolwiek by tego nie nazwać. A może są transcendentne, a my postrzegamy jedynie ich przejawy? 

„The reality is exactly backward. Few modern physics departments have researchers working to understand the foundations of quantum theory.”. Fundamenty teorii kwantowej… I tu pojawia się kolejny problem. Fundamenty te są bowiem rozważane  w kontekście  matematycznym,  matematyka  zaś  ma  strzec  tak  zwanej prawidłowości  rozumowania,  a  prawidłowość  ta  zachodzić  ma  wtedy  kiedy  spełnione  są zasady logiczne.

I w tej właśnie chwili pojawiają się problemy, gdyż u źródeł  logiki  leżą pojęcia pierwotne. Logika powstaje w oparciu o naszą intuicję, tę samą, o której mówi się, że jest złudna podczas uprawiania  mechaniki  kwantowej.  Czy  to  się  czasem  nie  zapętla?  Intuicja  doprowadza  do pierwszych aksjomatów logicznych, następnie teoria ulega rozszerzeniu, a kiedy już jej prawa mają zostać zastosowane do kolejnych koncepcji mówi się, że należy ją odrzucić! 

„The problem is that, despite the success of our current theories at fitting the data, they can’t be the final answer, because they are internally inconsistent. Gravity, in particular, doesn’t fit into the framework of quantum mechanics like our other theories do. It’s possible — maybe even perfectly reasonable — to imagine that our inability to understand quantum mechanics itself is standing in the way.”.

Jakże  teorie  mogą  być  konsystentne  kiedy  istnieje  całkiem  zasadne  domniemanie,  że narzędzia z jednego świata zostały użyte do opisu całkowicie odmiennego świata? Może i w pewnych  punktach  da  się  te teorie  na  siłę  połączyć,  ale  zdaje się,  że  łączenie  to  może  być zbędne  kiedy  każda  z  teorii  zdaje  się  zawierać  liczne  niejasności,  zarówno  w  kontekście matematycznym, jak i filozoficznym. 

A nasze niezrozumienie mechaniki kwantowej… To nie jest niezrozumienie. To zrozumienie teorii  w  stopniu,  który  nie  jest  dla  nas  satysfakcjonujący.  Istotne  jest  jeszcze  inne zastrzeżenie.  Nawet  gdybyśmy  rozumieli  teorię  nie  mamy  gwarancji,  że  jest  ona  zgodna  z rzeczywistością.  Może  zatem  zamiast  mówić  o  nierozumieniu  mechaniki  kwantowej  lepiej mówić o nierozumieniu struktury rzeczywistości?

Ludzka logika może, wbrew naszym najgłębszym przeświadczeniom, okazać się ułudą kiedy idzie  o  rozumienie  głębokich  tajemnic  Wszechświata.  Obserwacja  umożliwia  dostosowanie się  do  niektórych  elementów  środowiska,  w  którym  żyjemy,  umożliwia  skonstruowanie pewnych metod, narzędzi, dokonanie zmian. 

Przypuszczam jednak, że najgłębsza rzeczywistość jest w istocie irracjonalna względem nas. Poza tym jeszcze może być ona niedostępna. Nasz mózg nie jest zdolny do wyobrażenia sobie czwartego  wymiaru  przestrzennego.  Matematyka  taki  wymiar  potrafi  opisać,  ale  wciąż  nie umożliwia ujrzenia go. Wydaje mi się, że pewne znaczenie w tych wszystkich dylematach ma wrodzony  antropocentryzm.  Ludzie  pragną  postrzegać  wszystko  wokół  przez  pryzmat  swej intuicji, pragną rozumieć, a być może ich logika nie pozwala rozumieć. 

Każdemu  chyba  czasem  zdarzają  się  swego  rodzaju  olśnienia.  Nagle  pojawia  się  wrażenie pojmowania  danej  koncepcji  w  całości,  odczucie  wieczności  w  teraźniejszości,  widzenie czegoś, co obiektywnie nie istnieje. Te olśnienia nie mają podstaw logicznych. 

Nie ufam  logice. Obawiam  się, że niektóre spośród poszukiwanych przez  ludzi odpowiedzi znajdują się w zbiorze praw, które dla nas są irracjonalne.