Ostatni bastion Alberta Einsteina

W setną rocznicę powstania fizyki kwantowej Organizacja Narodów Zjednoczonych (ONZ) ogłosiła rok 2025 Międzynarodowym Rokiem Nauki Kwantowej (IYQ). Obwieszona nagrodami Nobla „stulatka” zainfekowała już wiele dziedzin wiedzy, inżynierię, technologię, próbuje sięgnąć planet, gwiazd, głębokiego wszechświata. Tam jednak od 1915 roku włada teoria grawitacji Einsteina, która skutecznie opiera się prawom fizyki kwantowej i od 100. lat nikt nie wie, jak ją do tego zmusić. Jeśli dojdzie do kompromisu, świat, jak go rozumiemy dzisiaj, zmieni się po raz kolejny. I po raz kolejny przez Einsteina.

Einstein po raz pierwszy

W okresie od roku 1687 do roku 1905 rozumienie świata opierało się na prawach Isaaca Newtona precyzyjnie kontrolujących ruchy materialnych ciał, łącznie z niebieskimi. Wiedziano, że masy się przyciągają (grawitacja) i stawiają opór przy próbach wprawiania je      w ruch (bezwładność). Rozumiano, że światło emitowane z materii jest jak rozciągła fala, unosi ze sobą energię w sposób ciągły, wypływa jak strużka wody z otwartego kranu. Mierzono prędkość tego światła, a że była ogromna, zastanawiano się, czy w ogóle ma jakąś górną granicę. Debatowano, z czego składa się materia, odrzucając pomysły starożytnych, że istnieje coś takiego jak atom…

Po przeszło 200. latach takiego myślenia stolik przewrócił Einstein. W roku 1905, znanym w nauce jako „rok cudów Einsteina”, w serii czterech artykułów podważył dotychczasowe rozumienie materii, czasu, światła, energii i ruchu. Nauka, świat i sposób myślenia o nim zmieniły się bezpowrotnie.

Atomy są na świecie. Niedługo przed samobójczą śmiercią orędownika idei atomów, austriackiego fizyka Stefana Boltzmanna, Einstein pokazał, jak łatwo można te atomy znaleźć i obmierzyć. Debatę o tym, czy atomy istnieją, czy nie, wstydliwie oddano zapomnieniu.

Nie można dogonić światła.  Einstein pokazał, że w próżni prędkość światła jest stała i niezmienna, i że nic we wszechświecie nie może przemieszczać się szybciej niż światło (300 tys. kilometrów na sekundę). Ciała materialne poruszające się z prędkością zbliżoną do świetlanej kurczą się, ich masa rośnie, a zegary na nich chodzą wolniej.

Najsłynniejszy wzór świata. Masa dowolnego ciała pomnożona dwa razy przez stałą prędkość światła jest równoważna energii tego ciała. To najbardziej rozpoznawalny wzór świata, czyli: E = mc². W 1905 roku abstrakcyjna sensacja, 40 lat później okaże się cywilizacyjną zmorą ludzkości.   

Światło to wiązka… cząstek. W 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck przypadkowo i bez entuzjazmu odkrył, że światło uwalnia z materii energię małymi porcjami, jak krople wody z cieknącego kranu, a nie jak strużka wody z kranu otwartego. Einstein sprawdził te fanaberie, rzucając takie „porcjowane” światło na kawałek metalu. Pokazał (rachunkowo), że będą z niego uciekać elektrony z taką energią, jaką dostarcza im światło w owych porcjach, a elektronów będzie tyle, ile owych porcji. Niemożliwe stało się oczywiste – światło nie jest falą, lecz wiązką  małych porcji energii, energetycznych cząstek, zwanych dzisiaj fotonami.

Einstein vs Fizyka Kwantowa

Max Planck i Albert Einstein otrzymali nagrody Nobla w 1918 i 1921 roku jako pionierzy kwantowej nauki. Ale jej dojrzałość uznano dopiero w 1925 roku, kiedy Werner Heisenberg, 23-letni fizyk z Niemiec sformułował jej formalne zasady. Posypały się kolejne nagrody Nobla i zaczął jej zwycięski marsz. Szybko poddano testom idee Einsteina by sprawdzić, czy nowa nauka je zaakceptuje, odrzuci, bądź poprawi.

I tak, gdy Einstein potwierdził istnienie atomów, fizyka kwantowa zajrzała do ich wnętrza. Tam odkryła źródło świetlnych kwantów (cząstek) energii i stwierdziła, że najsłynniejszy wzór Einsteina, przemiana masy w energię, odpowiada za stabilność atomów i materii, którą tworzą. Jednak potęgę tej przemiany zrozumiano wtedy, gdy udało się atom rozbić.

Demonstracja tej potęgi miała miejsce w sierpniu 1945 roku  w Hiroszimie, kiedy eksplodowała pierwsza bomba atomowa – ogromna siła wybuchu pochodziła właśnie z przemiany masy w energię, a rozpadały się atomy uranu.

Uzupełnienie nauki kwantowej o postulat stałej prędkości światła oraz równoważności masy  i energii doprowadziło do odkrycia antymaterii (po zetknięciu z materią obie znikają i powstaje światło). Natomiast fakt, że światło składa się z cząsteczek (fotonów), fizyka kwantowa wchłonęła „dziwnym” postulatem, że światło może być i falą i cząstką jednocześnie. Nie tylko światło, inne obiekty również, np. elektron.

Wydawać by się mogło, że Einstein, skoro w oparciu o jego idee nauka kwantowa wytłumaczyła i przewidziała nowe, nieznane zjawiska, powinien czuć się spełniony. Stało się jednak inaczej, względem nowej nauki Einstein zachował ostrożność i nieufność.  

Powrót Einsteina

Latem bieżącego roku, w 100. lecie fizyki kwantowej uroczystości rocznicowe odbyły się w hotelu Atlantic w Hamburgu. Podczas spotkania orędownicy wszechmocy nauki kwantowej demonstrowali np. zegary kwantowe mające zachować sekundową dokładność pomiaru czasu w okresie dłuższym niż wiek wszechświata, ekscytowali się obrazami splątanych atomów wykonujących skomplikowane pląsy, kreślili świetlane perspektywy kwantowego komputera i zalety kwantowej kryptografii.

Ale gdy kolejnego dnia wyruszono promem na wyspę Helgoland na Morzu Północnym, gdzie w 1925 roku Heisenberg sformułował zasady nowej nauki, niespokojne morze wydawało się przypominać wszystkim, jak burzliwe dyskusje  i kontrwersje ciągle wzbudza ta nauka  – od 100 lat, chociaż nie przestaje zdumiewać skutecznością, pozostaje tak samo radykalna i niezrozumiała w swoich zasadach, i niezmiennie prowokuje te same pytania bez odpowiedzi – Dlaczego rzeczywistość kwantowa jest tak różna od tej, która nas otacza i której doświadczamy?… Skąd się bierze?… Czy  jest to rzeczywistość, czy tylko użyteczna matematyczna abstrakcja?…

Podobne wątpliwości formułował już Einstein bo, mimo że był pionierem kwantowej rewolucji, był również pierwszym, który nie akceptował jej zasad i „dziwności”, jakie z nich wynikają. Zastawiał pułapki, odwoływał się do Boga… do końca życia walczył o fizykę kwantową inną od tej, której rocznicę obchodzimy.

Kwantowa telepatia, czyli pułapka Einsteina w którą sam wpadł

Jedną z najpoważniejszych pułapek na fizykę kwantową zastawili w 1935 roku we trójkę: Einstein, Borys Podolsky i Nathan Rosen (paradoks EPR). By zilustrować ich argumenty, rozważmy następującą sytuację: Dwie osoby w tym samym miejscu na Ziemi uzgadniają ze sobą, że gdy zapytane o cokolwiek, mogą wypowiedzieć tylko jedno z dwu słów: TAK lub NIE, i nie wolno im się powtarzać – jeżeli jedna powie TAK, druga natychmiast MUSI powiedzieć NIE. I odwrotnie.

Gdy osoby te pozostają w kontakcie i jedna wie, co robi druga, umowa działa. Decydują teraz, że jedna z nich pozostaje na Ziemi, a druga ląduje na Marsie. Tak rozdzielone najszybszy możliwy kontakt mogą nawiązać, wysyłając sygnał radiowy, który odległość Ziemia-Mars pokonuje w 4 minuty (jak światło). Zatem, gdy do osoby na Ziemi ktoś skieruje pytanie i ona powie TAK, osoba na Marsie przez 4 minuty nie może wypełnić umowy, bo nie wie, co wydarzyło się na Ziemi.

Jednak fizyka kwantowa przewiduje inaczej – gdy osoba na Ziemi powie TAK, w tej samej chwili osoba na Marsie wie, że MUSI powiedzieć NIE. To co w języku potocznym nazywa się telepatią, dla Einsteina było „upiornym działaniem na odległość”, oczywistym zaprzeczeniem faktu, że prędkość sygnału radiowego (światła) jest stała i nieprzekraczalna, zatem osoby na Ziemi i Marsie nie mając natychmiastowego kontaktu ze sobą, działają niezależnie i umowa, tak jak przewiduje fizyka kwantowa, nie jest możliwa do wykonania.

Wniosek – fizyka kwantowa jest nauką niekompletną i należy ją zmienić lub poprawić. Niemal trzy dekady zajęło pozyskanie dowodu, że Einstein i spółka jednak się mylą i że „kwantowa telepatia”, nazwana „splątaniem” (entanglement), jest częścią owej przedziwnej i niezrozumiałej kwantowej rzeczywistości.

Einstein, nie mów Bogu, co ma robić! 

Szkolna fizyka, czyli ta od Newtona, uczy nas, jak precyzyjnie opisać dostępną zmysłom rzeczywistość – od orbitujących planet po ruch bilardowych kul. W świecie atomów w taki opis fizyka kwantowa wprowadza niepewność i prawdopodobieństwo. Mówi np. że elektron w jednym czasie może robić to lub zupełnie coś innego albo że znajdzie się w jakimś określonym miejscu lub zupełnie gdzie indziej.

Żadnej pewności, jakby ów elektron miał zdolność jednoczesnego zachowania się na wiele różnych sposobów, lub bycia w wielu miejscach naraz. A jeżeli potrafimy już określić, gdzie ów elektron się znajduje, nie dowiemy się nigdy, w jakim kierunku i jak szybko się porusza. A gdy uda się ustalić kierunek i prędkość, z jaką się przemieszcza, nie możemy określić, gdzie jest.

Z takim obrazem kwantowej rzeczywistości zdecydowanie nie zgadzał się Einstein, mówiąc: Bóg nie gra ze światem kości!… Do historii przeszła odpowiedź Nielsa Bohra, pierwszego, który „zajrzał” do wnętrza atomu:  Einstein, nie mów Bogu, co ma robić!

I wydaje się, że riposta Bohra była trafna, bo fizyka kwantowa dzisiaj, ze swoimi dziwactwami, pozostaje niezwykle sprawcza, dzięki niej rozumiemy, dlaczego są metale, izolatory, półprzewodniki, jak działają tranzystory, aparaty fotograficzne, telefony, telewizory, lasery… cała chemia opiera się na niej, zaczyna infekować biologię i pretendując do miana teorii wszystkiego, odważnie spogląda w kierunku głębokiego wszechświata. W kosmosie jednak nauce kwantowej nie jest łatwo, okopał się tam i dzielnie broni Albert Einstein, jakby Bóg zrobił wyjątek i trzyma jego stronę.

Ostatni bastion Einsteina – grawitacja

Mikołaj Kopernik stwierdził, że planety krążą wokół słońca (1543), Johannes Kepler pokazał, jak się poruszają (1619), Isaac Newton wyjaśnił ich ruch prawem powszechnego ciążenia (1687), a Einstein zapostulował że wie, skąd to prawo się bierze i co z tego wynika (1915).    

A wynika dużo ważnych dla poznania naszego wszechświata zjawisk, w których poszukiwaniu astrofizycy nieustannie przeczesują niebo. Pomimo sukcesów – postulat istnienia i odkrycie czarnych dziur czy niedawna obserwacja fal grawitacyjnych, o których Newton nie mógł wiedzieć, przewidział je dopiero Einstein – jego teoria grawitacji stanowi dla ambitnej fizyki ogromny problem. Bo chociaż ma już 110 lat i pozostaje podstawą współczesnej kosmologii, ciągle jednak nie chce poddać się prawom fizyki kwantowej i nikt nie wie, jak ją do nich przekonać.

Poszukiwana teoria wszystkiego ciągle czeka na swoje odkrycie… Czy pomoże jej sceptycyzm Einsteina zakodowany w równaniach jego kosmologii? Czy niezłomny opór grawitacji przed nauką kwantową sugeruje, że trudna do zrozumienia i akceptacji rzeczywistość kwantowa jest do zmiany, a przynajmniej poprawy? Czy rzeczywiście Bóg nie gra ze światem w kości?… Nikt dzisiaj tego nie wie, a Bóg…   A Bóg jakby nabrał wody w usta. Kiedy się zakrztusi i czym prychnie?…

Marian W Radny