Czy dualizm w mechanice kwantowej jest,czy go nie ma ?

Historia obecności w fizyce kwantowej dualizmu falowo-cząsteczkowego jest bardzo dziwna i cechuje ją dramatyzm charakterystyczny dla kryminałów.

Luis de Broglie wprowadzając [ w roku 1924]do fizyki kwantowej rozległą analogią pomiędzy optyką falową, a mechaniką cząstek elementarnych nie przeczuwał jakie konsekwencje ontologiczne i epistemologiczne ten akt wywoła przez następnych sto lat rozwoju fizyki mikroświata. Sam napisał o tym: “...nie zdawałem sobie sprawy, do czego to może doprowadzić w fizyce” w pracy zredagowanej dopiero po jego śmierci w roku 1991 przez prof.J.Loshaka- ucznia [a później zastępcę na katedrze],pracy będącej próbą reinterpretacji QM w opozycji do kopenhaskiej ontologii i epistemologii .

E.Schroedinger był bardziej konsekwentny od niego i nie bawiąc się w analogie do optyki falowej, zbudował mechanikę falową jako spójną i nie sprzeczną logicznie teorię świata atomowego ,w której istnieją tylko kategorie i zasady ruchu falowego, a dynamika nieciągłej materii[stany kwantowe] wynika formalnie z równań ruchu falowego, połączonych z uniwersalnym formalizmem mechaniki klasycznej.

Jednak kiedy Max Born narzucił [ rok 1926]statystyczną interpretację funkcji falowej [“psi”] fizycy  skupieni wokół N.Bohra i W.Heisenberga zaproponowali dosyć ostre twierdzenie:

materia ma podwójna naturę falowo-korpuskularną, która nie ujawnia się jednocześnie w danym eksperymencie.

Gdy jeden obraz dominuje , np. falowy ,to brak drugiego[ korpuskularnego].O takiej “komplementarności” tych dwóch obrazów decyduje [według N.Bohra] rodzaj eksperymentu/aparatury.

Przez następne pół wieku, dualizm falowo- korpuskularny był paradygmatem świata fizyki kwantowej. U nas, Arkadiusz Piekara upowszechnił [dla potrzeb ożywienia wykładów mechaniki kwantowej] taki żart: teorię falowej budowy materii wykładamy w poniedziałki, wtorki i środy ,a teorię korpuskularnej budowy materii w pozostałe dni tygodnia. W ten sposób unika się przewlekłych dyskusji na temat sprzeczności pomiędzy obrazem falowym a korpuskularnym budowy materii[ no i światła].

Pod koniec lat 80-tych niespodziewanie, bez podstaw empirycznych zaprzestano akcentować dualizm w budowie materii i przeciwnie- zaczęto oswajać wszystkich z rzekomą jednością logiczną i ontyczną tych dwóch obrazów. W dydaktyce fizyki[w podręcznikach akademickich]wręcz unikano słowa "dualizm" i argumentowano ,że obydwa obrazy godzi ze sobą statystyczny [tłumny]charakter zjawisk kwantowych.

Słynny, archetypiczny dla fizyki kwantowej eksperyment z dwiema szczelinami interpretowano jednocześnie w dwóch modelach: duża ilość elektronów ma przestrzenny rozkład zgodny z interferencją fal elektronowych ,a akty uderzeń/absorpcji o materiał ekranu/detektora dowodzą ,że jednocześnie elektrony są cząstkami.

Statystyka okazała się jednak nieprzydatna ,gdy doświadczalnie stwierdzono obraz interferencyjny dla jednego fotonu [elektronu, neutronu]. Elektron zachowywał się na przykład tak jakby przechodził przez dwie szczeliny, a następnie interferował sam z sobą.Dała o sobie znać holistyczna natura funkcji falowej schroedingera.

Wtedy L.Broglie razem z D.Bohmem, którzy - podobnie jak A.Einstein - mieli nieskrywane obrzydzenie do zastępowania ontologii przyrody, teorią gier losowych [“Pan Bóg nie gra w kości”] wystąpili z modelami : pakietu falowego, fali-pilota oraz potencjału kwantowego i status zasady komplementarności N.Bohra],a nawet zasady Heisenberga [czyli fundament dualizmu] stanął pod znakiem zapytania [1].

To prawda , że u Brogliea i Bohma statystyka została przegoniona, ale ta wersja fizyki kwantowej nie zyskała szerokiego aplauzu, tym bardziej, że dualizm natury elektronu stał się jeszcze bardziej zagadkowy gdy stwierdzono eksperymentalnie jego zależność od wiedzy eksperymentatora !

http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/19/5/19/PW-2015-05-26-double-slit.jpg

Jeśli wiemy, przez którą szczelinę przechodził elektron, to interferencja znika [a tym samym i falowa natura cząstki],a taką informację łatwo można uzyskać np. umieszczając detektor przy jednej szczelinie. Pierwsze dziesięć lat XXI wieku było sceną mocowania się dwóch światopoglądów fundowanych na kanwie dualizmu, z wyraźną przewagą zwolenników bagatelizowania znaczenia teoriopoznawczego tej kwestii[ zobacz :2].

Jednak w roku 2012 grupa fizyków na uniwersytecie w Poczdamie pod kierunkiem Ralfa Menzela [3]zaintrygowała światowe środowiska fizyków, realizacją bardzo pomysłowego eksperymentu z fotonami ,w którym [zdaniem autorów]możliwa jest jednoczesna obserwacja zarówno falowej jak i korpuskularnej natury fotonu i tym samym [ich zdaniem]zasada komplementarności N.Bohra przestaje być zasadą przyrody.

I znowu praca spotkała się z krytycznymi uwagami ,a do najpoważniejszych [wskazujących błędy eksperymentalne] należy tekst [4] opublikowany przez grupę kierowaną przez prof.Roberta Boyda[badania z optyki kwantowej w Rochester i optyki nieliniowej w Ottawie].Powtórzono eksperyment grupy Menzela i wykryto błęy techniczne ,które powodują fałszywą interpretację oddziaływania splątanych fotonów [rzekomo sprzecznego z dualizmem].

Tak więc na pytanie tytułowe odpowiadam krótko : nie wiem. Fizyka kwantowa jest pełna miejsc ,gdzie próby zrozumienia przedstawianego obrazu przyrody [poza schematem formalizmu matematycznego] kończą się często niepowodzeniem. Ten rodzaj wiedzy jest permanentnie in statu nascendi. Formalizm matematyczny QM pozwala budować wyrafinowaną technologię, lecz pogląd na przyrodę wciąż wikła się w wątpliwościach ,a nawet sprzecznościach.

Ale obalaczy fizyki kwantowej na salonie 24 nie widać, są natomiast obsesjonaci co do starej, bezpłodnej i oklepanej dydaktycznie szczególnej teorii względnośći. Czego oni tam szukają- nie mogę pojąć. Nawet Bjab rozbawił mnie ostatnio podrzucając rewelację w postaci własnych transformacji, konkurujących rzekomo z transformacjami Lorentza. A przecież to poważny bloger i wylądował na takim polu jałowizny umysłowej!

Literatura

[1]F.Saleri,Wielkie spory w fizyce kwantowej,Wyd.Uniw.Gd.Gdańsk,1999,str.78-95

[2] Afshar S.S. et al: Paradox in Wave Particle Duality. Found. Phys. 37, 295 (2007)http://arxiv.org/abs/quant-ph/0702188arXiv:quant-ph/0702188

[3]R. Menzel,D. Puhlmann,A. Heuer,W. P. Schleich,Wave-particle dualism and complementarity unraveled by a different mode, Proceedings of the National Academy of Science od the USA[PNAS],vol 109,no 24,[PNAS], 2012

[4]E.Bolduc,R.W.Boyd,et al, Fair sampling perspective on an apparent violation of duality, Proceedings of the National Academy of Science od the USA[PNAS],VIII,2014 [arXiv: 1402.6487]