Čak ni fizičari ne razumiju kvantnu mehaniku
Još gore, čini se da je i ne žele razumjeti
“Sa sigurnošću mogu reći da niko zaista ne razumije kvantnu mehaniku”, primijetio je fizičar i nobelovac Richard Feynman. To, u suštini, nije iznenađujuće. Nauka napreduje tako što nas suočava sa onim što ne razumijemo, a reputacija kvantne mehanike je da je uistinu misteriozna.
Iznenađujuće je da je fizičarima, izgleda, OK to što ne razumiju svoju najvažniju teoriju.
Kvantna mehanika, koju su postepeno sastavljali brilijantni umovi tokom prvih decenija 20. vijeka, izuzetno je uspješna teorija. Potrebna nam je da objasnimo kako se atomi raspadaju, zašto zvijezde sijaju, kako tranzistori i laseri rade i, u suštini, zašto su stolovi i stolice čvrsti umjesto da se odmah sruše na pod.
Naučnici mogu sa potpunim povjerenjem koristiti kvantnu mehaniku. No ona je crna kutija. Možemo provesti eksperiment i predviđati ishode koji su provjereni sa izvanrednom preciznošću. Ipak, ne tvrdimo da razumijemo kvantnu mehaniku. Fizičari ne razumiju svoju teoriju ništa bolje nego što prosječna osoba razumije šta se dešava u njenom pametnom telefonu.
Postoje dva problema. Prvi je taj što kvantna mehanika, kako je prikazana u udžbenicima, zahtijeva različita pravila za ponašanje kvantnih objekata zavisno od toga da li ih posmatramo ili ne. Dok ih ne gledamo, oni postoje u “superpoziciji” raznih mogućnosti, naprimjer da su na bilo kojem mjestu u prostoru. Kad ih pogledamo, međutim, oni se odjednom zaustave na jednu lokaciju i upravo tu ih i vidimo. Ne možemo tačno predvidjeti koje mjesto će to biti; najbolje što možemo jeste da izračunamo vjerovatnoću različitih ishoda.
Čitava stvar je besmislena. Zašto su opservacije posebne? Šta se uopšte računa kao “opservacija”? Kad se tačno desi? Da li je može napraviti samo ljudsko biće? Da li je svijest nekako uključena u osnovna pravila stvarnosti? Zajedno ova pitanja čine “problem mjerenja” kvantne fizike.
Drugi problem je taj što se ne slažemo šta to tačno kvantna teorija opisuje, čak i kada ne vršimo mjerenja. Kvantni objekt određujemo kao elektron u smislu “talasne funkcije”, koji prikuplja superpozicije svih mogućih ishoda mjerenja u jedan matematički objekt. Kada ih ne posmatramo, talasne funkcije se razvijaju prema poznatoj jednačini koju je zapisao Erwin Schrödinger.
Ali šta je tačno talasna funkcija? Da li je to kompletna i iscrpna reprezentacija svijeta? Ili nam možda trebaju dodatne mjerne veličine da bismo u potpunosti obuhvatili stvarnost, kao što su to Albert Einstein i drugi pretpostavljali? Ili možda talasna funkcija nema nikakve direktne veze sa stvarnošću, već samo ukazuje na naše nepoznavanje toga što ćemo na kraju mjeriti u našim eksperimentima?
Dok fizičari sa sigurnošću ne odgovore na ova pitanja, ne može se reći da zaista razumiju kvantnu mehaniku — zbog toga Feynman tuguje. Što je loše, jer je kvantna mehanika najfundamentalnija teorija koju imamo, koja stoji u centru svakog ozbiljnog pokušaja da formuliramo temeljne zakone prirode. Ako niko ne razumije kvantnu mehaniku, niko ne razumije ni univerzum.
Pomislili biste, naravno, da je razumijevanje kvantne mehanike apsolutno najveći prioritet fizičara širom svijeta. Istraživanje temelja kvantne teorije trebalo bi biti glamurozna specijalizacija u tom polju, koja bi privlačila najbistrije umove, najveće plate i najprestižnije nagrade. Pretpostavili biste da se fizičari ne bi zaustavili dok ne bi istinski razumjeli kvantnu mehaniku.
Stvarnost je upravo suprotna. Svega nekoliko modernih odjela za fiziku ima istraživače koji rade na razumijevanju temelja kvantne teorije. Naprotiv, studenti koji pokažu interesovanje za tu temu su polako ali sigurno — možda ne tako polako — usmjereni drugdje, ponekad sa opomenom “Začepi i računaj!” Profesori koji se zainteresuju za tu temu primijetit će da se njihovi grantovi smanjuju, dok se njihove kolege žale kako su izgubili interesovanje za ozbiljna istraživanja.
To je tako od 1930-ih, kada su fizičari kolektivno odlučili da je važnije korištenje nekoliko ad hoc kvantnih pravila za izradu modela čestica i materijala, od razumijevanja same kvantne mehanike. Prijašnji poduhvat su smatrali isuviše filozofskim i ozloglašenim. Sve to podsjeća na Ezopovu lisicu koja je odlučila da je grožđe koje ne može dokučiti vjerovatno kiselo i da ga ionako ne želi. Fizičari odgojeni u modernom sistemu pogledat će vas u oči i objasnit će vam, sasvim iskreno, da ih zapravo ne zanima kako priroda funkcioniše, samo žele uspješno predvidjeti ishode eksperimenata.
Ovaj stav se može povezati sa začećem moderne kvantne teorije. Tokom dvadesetih godina prošlog vijeka održana je serija poznatih debata između Einsteina i Nielsa Bohra, jednog od osnivača kvantne teorije. Einstein je tvrdio da se savremene verzije kvantne teorije nisu podigle na nivo kompletne teorije fizike, te da bi trebalo još više istraživati. No Bohr se nije složio, insistirajući da je sve u dobrom stanju. Zbog brojnijih akademskih saradnji i retoričkih sposobnosti, Bohr je odnio uvjerljivu pobjedu, barem u očima javnosti.
Nisu svi bili sretni što je Bohrovo mišljenje prevladalo, no ti ljudi su obično bili ignorisani i otuđeni od naučne zajednice. Fizičar David Bohm, na Einsteinov poticaj, predložio je 1950-ih genijalan način nadogradnje kvantne teorije kako bi se riješio problem mjerenja. Werner Heisenberg, jedan od pionira kvantne mehanike, odgovorio je tako što je pokušaj nazvao “suvišnom ideološkom nadogradnjom”, a Bohmov bivši mentor Robert Oppenheimer je odbrusio: “Ako ne možemo opovrgnuti Bohma, onda se moramo složiti da ga ignorišemo.”
U isto vrijeme, doktorant po imenu Hugh Everett osmislio je teoriju "mnogih svjetova", još jedan pokušaj da se riješi problem mjerenja, na što su ga ismijali oni koji su podržavali Bohra. Everett nije ni pokušao ostati u akademskoj zajednici, te se okrenuo odbrambenoj analizi nakon što je doktorirao.
Skorije rješenje problema mjerenja, koje su predložili fizičari Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini i Tulio Weber, nepoznato je većini fizičara.
Te ideje nisu samo iracionalna “tumačenja” kvantne mehanike. One su istinski drugačije teorije fizike koje potencijalno nose nove eksperimentalne posljedice. No većina naučnika ih je zanemarila. Vodeći magazin o fizici godinama je imao pravilo koje izričito nalaže da se radovi o osnovama kvantne mehanike trebaju unaprijed odbiti.
Naravno da postoji beskonačan broj pitanja zbog kojih bi se naučnici mogli brinuti, no prioriteti se moraju nekako odrediti. Tokom 20. vijeka, fizičari su odlučili da je važnije koristiti kvantnu mehaniku, nego shvatiti kako ona funkcioniše. Da budemo pošteni, jedno od obrazloženja bilo je to što se nije vidio način za napredak. Koji eksperimenti bi se mogli uraditi da se rasvijetli problem mjerenja?
Moguće je da se situacija mijenja, doduše, postepeno. Trenutna generacija filozofa fizike kvantnu mehaniku shvata veoma ozbiljno i zaslužni su za doprinos konceptualnoj jasnoći polja, koja je od ključne važnosti. Fizičari skloniji empirijskim dokazima shvatili su da se fenomen mjerenja može direktno ispitati dovoljno detaljnim eksperimentima. Napredak tehnologije je stavio pitanja kvantnih kompjutera i kvantne informacije u prvi plan. Zajedno bi ovi trendovi mogli učiniti respektabilnim razmišljanje o temeljima kvantne teorije, kao što je to nakratko bilo za vrijeme Einsteina i Bohra.
U međuvremenu, ispostavilo se da bi razumijevanje načina funkcioniranja stvarnosti moglo biti važno. Naši najbolji pokušaji da razumijemo temelje fizike su na mrtvoj tački, ometeni nedostatkom novih iznenađujućih rezultata eksperimenata. Naučnici su otkrili Higgsov bozon 2012. godine, ali njegovo postojanje je predviđeno 1964. godine. Gravitacijski valovi su trijumfalno uočeni 2015. godine, no predviđeni su stotinu godina ranije. Teško je napraviti iskorak kada dobiveni podaci samo potvrđuju teorije koje već imamo, umjesto da nas upućuju na nove.
Problem je taj što, iako naše trenutne teorije odgovaraju podacima, one ne mogu biti konačni odgovor jer su međusobno nedosljedne. Gravitacija se posebno ne uklapa u okosnicu kvantne mehanike, kao što je to slučaj sa drugim teorijama. Moguće je — ako ne čak i razumno — da se trebamo zapitati da li nam nemogućnost da razumijemo kvantnu mehaniku stoji na putu.
Nakon skoro jednog vijeka pretvaranja da razumijevanje kvantne mehanike nije ključni zadatak fizičara, moramo ozbiljno shvatiti ovaj izazov.
Autor: Sean Carroll, The New York Times
Autor je teorijski fizičar, stručnjak za kvantnu fiziku, gravitaciju i kozmologiju
Sa engleskog jezika prevela: Amina Hujdur
