— Published on 31/05/2018 / Ideje.hr.
Energija, frekvencija, informacija. Kvant, neodređenost, polje. Zvuči moćno, zar ne? I jest moćno. Iza tih stručnih naziva stoje velike koncepcije na kojima se temelji moderna fizika. No, iza tih istih naziva skrivaju se i veliki prodavači magle.
Naime, u fizici su svi pojmovi jasno određeni. Fizičke fenomene opisujemo pomoću dobro utvrđenih fizičkih veličina koje, izravno ili neizravno, možemo mjeriti što pak znači uspoređivati ih s precizno definiranim mjernim jedinicama. Problem je što se ti isti pojmovi ne koriste samo u stručnom nego i u općem jeziku. A tamo nisu ni precizni ni jednoznačni. Zapravo, ponekad su toliko neodređeni da iza njih može stajati svašta.
Dodatnu zbrku stvara i činjenica da u temeljima kvantne fizike postoje relacije neodređenosti. To kod laika može ostaviti dojam da je kvantna fizika nekakvo maglovito, tajanstveno učenje u kojem se ništa ne može uhvatiti ni za glavu ni za rep. Navodno ništa nije točno određeno, sve je mutno, nitko tu zapravo ništa ne zna niti razumije.
Potvrde za takav krivi dojam o kvantnoj mehanici često se nalaze u citatima slavnih fizičara. I to onih koji su kvantnoj fizici dali ključne doprinose. Niels Bohr je, primjerice, rekao: "Tko kvantnom teorijom nije zapanjen taj ju nije razumio". Richard Feynman je, posve u svom stilu, izjavio: "Ako mislite da razumijete kvantnu mehaniku, onda ju ne razumijete". I još jedna Feynmanva: "Smatram da mogu pouzdano reći da nitko ne razumije kvantnu mehaniku." A i ona Einsteinova: "Bog se ne kocka" tjera vodu na isti mlin, naime izražava Einsteinovu sumnju u činjenicu da je kvantna mehanika dobar opis svijeta na maloj skali.
I gdje smo sada? S obzirom da laik o kvantnoj fizici ne zna praktički ništa i da ljudi koji su gradili kvantnu teoriju kažu da to nitko ne može razumjeti, ne treba nas čuditi da su šarlatani prepoznali zlatni rudnik. Pridjev kvantno modernom obmanjivaču garantira uspjeh. Kvantno je sastojak s kojim vodu iz pipe može prodavati po cijeni zlata. Dovoljno je reći, primjerice, da: "informacija na kvantnoj razini mijenja kvantno elektromagnetsko polje vode, što dovodi do promjene njezinih svojstava". Čarobna formula. Kvantno je, također, sastojak s kojim možete prodati samoga sebe kao gurua koji tumači ono što prirodna znanost danas ne još može objasniti – svijest. Recimo: "U jednom svemiru, tijelo može biti mrtvo, no u drugom nastavlja postojati i upija svijest koja se doselila iz drugog svemira, budući da svijest nije ovisna o lokaciji jednako kao što to nisu ni kvantni objekti." I tako dalje, i tako dalje. Ta dva citata sam nasumično odabrao iz nepreglednog mora besmislica koje će vam ponuditi Google kad uz neku od ključnih riječi s kojima sam počeo ovaj tekst dodate još vodu ili svijest.
Ovaj uvod ne daje recept za prepoznavanje šarlatana. Njegova ambicija je puno skromnija, ali je poruka važna: ako su nekome puna usta stručnih termina iz fizike, naročito ako često spominje kvantno – budite oprezni.
Također, nastavak teksta nikoga neće naučiti kvantnu fiziku. Fizika se naprosto ne uči na internet-portalima. Za ovladavanje fizikom potrebne su godine napornog rada. I nastavak teksta ima skromnu ambiciju, ali čvrste poruke: kvantna fizika nema veze s misticizmom, kvantnu fiziku se može razumjeti (u jednom od značenja toga glagola) i kvantna fizika je najbolji opis svijeta na maloj skali (atoma i subatomskih čestica) koji danas imamo.
Hajdemo najprije raskrinkati Einsteina. "Bog se ne kocka" je metafora kojom je Einstein želio reći da mu njegova intuicija za fiziku govori kako se opis svijeta na fundamentalnoj razini ne može temeljiti na slučajnostima. Međutim, prema onome što danas znamo, itekako može. Bez obzira što je Einsteinova genijalna intuicija puno puta vodila do veličanstvenih otkrića, u ovom je slučaju zakazala. Da, i Einstein je bio čovjek, a ljudi griješe. Ponekad nisu u pravu. "Bog se ne kocka" je bila jedna od Einsteinovih predrasuda.
Einsteina smo lako riješili. Možda ste znatiželjni kako ću izaći na kraj s Bohrom i Feynmanom? Može li se proturiječiti divovima koji su kvantu fiziku stvarali? Zapravo je i tu stvar prilično jednostavna. Kod stručnih naziva definicija je jedinstvena, a sinonimi su nepoželjni. One riječi iz leksika koje nisu stručni nazivi nemaju takvo strogo ograničenje. Kod njih su sinonimi poželjni, a same riječi imaju nekoliko definicija, dakle i nekoliko značenja. Tako "razumjeti" može značiti "shvatiti, shvaćati smisao, značenje, sadržaj, bit čega; pojmiti, poimati, proniknuti, pronicati u smisao", a može značiti i "poznavati što, vladati nekim znanjem, biti vješt u čemu". U spomenutim izjavama Bohra i Feynmana podrazumijeva se prva definicija. U mojoj se pak izjavi podrazumijeva druga.
Bohrova tvrdnja "Tko kvantnom teorijom nije zapanjen taj ju nije razumio" jednostavno znači da onaj tko je na kvantnu teoriju ostao ravnodušan nije pojmio koliko je atomski i subatomski svijet različit od makroskopskog svijeta koji poznajemo na temelju vlastitog iskustva. Bohr samo kaže da udubimo li se dovoljno u kvantnu teoriju, moramo biti fascinirani. Nešto kao: "Ljudi, pa ovo je fenomenalno!"
Feynman nije baš tako bezazlen. Premda je njegova tvrdnja, vrlo vjerojatno, parafraza Bohrove izjave on ne govori o fascinaciji teorijom nego stvarno tvrdi da se nitko ne razumije kvantnu mehaniku. Ali ne misli na vladanje znanjem ili na vještinu u računanju. Misli na shvaćanje smisla, dakle na razumijevanje prema prvoj definiciji. Feynman je zapravo govorio o interpretaciji, o pokušaju da se objekti i pojave iz atomskog i subatomskog svijeta predstave pomoću koncepcija iz makrosvijeta. Ako to pokušamo napraviti onda dobivamo česticu koja istovremeno prolazi kroz dvije pukotine, mačku koja je istovremeno živa i mrtva te razne druge situacije od kojih boli glava. Ukratko, ne možemo pojave iz mikrosvijeta opisivati s klasičnim koncepcijama koje smo izgradili na temelju iskustva u makrosvijetu. E, to je ono što ne ide. Na taj način nitko ne može razumjeti kvantnu teoriju. Ali ju itekako može razumjeti u smislu ovladavanja znanjima i vještinama. Možemo poznavati opservable (fizičke veličine koje su mjerljive) i odnose među njima (matematičke modele od kojih su neke čak nazivamo zakonima). Možemo steći zavidnu vještinu u baratanju tim matematičkim modelima što pak možemo iskoristiti za izračune u nekim primjenama teorije ili za daljnji razvoj samih modela. Sve to možemo uz ovakav ili onakav pokušaj interpretacije. Ili bez interpretacije.
No, to što subatomski svijet ne možemo predstaviti isključivo onim kategorijama koje smo stekli svakodnevnim iskustvom nije mana kvantne teorije. Niti je mana subatomskog svijeta. Nije ni posljedica toga što zasad ne znamo dovoljno o svijetu na maloj skali. To je naprosto tako. Nitko nije kriv. Svijet na maloj skali funkcionira drukčije nego na velikoj. Nema nam druge nego to prihvatiti. Postoji jedna šala o fizičarima koja nije daleko od istine: Fizičari nove teorije nikad u potpunosti ne shvate. Oni se na njih naviknu.
Primjerice, elektron nije ni val ni čestica. U nekim se situacijama ponaša kao da je val, u nekima pak kao da je čestica. Zato znamo reći da ima dvojnu prirodu, valno-čestičnu. I to onda zvuči misteriozno. No, problem nije u elektronu. Problem proizlazi iz naše potrebe za kategorizacijom. Mi napravimo kućice, a na kućice zalijepimo etikete s opisima kategorija iz svakodnevnog života. I onda objekte iz subatomskog svijeta probamo razvrstati po tim kućicama. Pa vidimo da ne ide. Pa se tome čudimo. Dok se ne naviknemo pa se prestanemo čuditi.
Nego, da se vratimo na kvantnu neodređenost, jedno od temeljnih načela kvantne teorije. Kao što teorija relativnosti ne znači da je sve relativno, tako ni Heisenbergovo načelo neodređenosti ne znači da je sve neodređeno. Naprotiv, načelo neodređenosti precizno povezuje neke parove fizičkih veličina u smislu da što je jedna poznatija druga je manje poznata, i obrnuto. Veličine u takvim parovima fizičari nazivaju komplementarnim veličinama. Najpoznatiji komplementarni par čine položaj i količina gibanja (koja je pak umnožak mase i brzine). Drugi poznati primjer čine vrijeme i energija.
Evo konkretnog primjera. Želimo izmjeriti polažaj i brzinu jednog elektrona u atomu. Klasična fizika nam na takav zadatak ne bi nametala nikakva ograničenja. U principu, mogli bismo s proizvoljnom točnošću odrediti gdje je elektron (u odabranom trenutku) i kojom se brzinom giba (u tom istom trenutku, također proizvoljno točno). Kvantna fizika to ne dopušta. Prema načelu neodređenosti, kojega je prvi dokučio njemački fizičar Werner Heisenberg, slijedi da točnost određivanja položaja utječe na točnost određivanja brzine elektrona. I obrnuto: točnost određivanja brzine utječe na točnost određivanja položaja elektrona. Postoji relativno jednostavan matematički izraz koji povezuje neodređenost položaja i neodređenost brzine. U tom se izrazu javlja konstanta koja je prisutna u svim matematičkim izrazima koji imaju veze s kvantnom fizikom – Planckova konstanta.
Postoji jedno praznovjerje u fizičara povezano s korištenjem formula u popularizacijskim tekstovima. Navodno svaka napisana formula prepolovi broj čitatelja. Usput, na taj bi način autor mogao osigurati da sa samo 33 formule bude i svoj jedini čitatelj od svih 7,6 milijardi ljudi na Zemlji. Izračunajte sami ako ne vjerujete. Za svaki slučaj, ne navodim formulu. Umjesto nje ću navesti jednu zgodnu ilustraciju Heisenbergovog načela neodređenosti. Napominjem da taj primjer nije sveobuhvatno objašnjenje nego tek gruba slika koja ilustrira tek jedan segment fenomena.
Razmotrimo detalje jednog mjerenja položaja elektrona. Kako uopće mjerimo? Mjerenje je uspoređivanje fizičke veličine sa standardom za tu veličinu, primjerice uspoređivanje duljine s metrom. Konkretno, duljinu mrava odredili bismo tako da uz mrava, kojega smo nagovorili da malo stane, postavimo mjernu traku i potom očitamo položaj početka i kraja mrava. Razlika tih dviju veličina dat će nam duljinu mrava. Elektron možemo tretirati kao točkastu česticu pa zato imamo manje posla. Nema početne i konačne točke. Samo je jedna točka i tu točku nazivamo položajem elektrona s obziron na neku odabranu – fizičari kažu referentnu – točku. Dakle, očitamo položaj.
A kako uopće očitamo? Pa, pogledamo, zar ne? No, koji je mehanizam gledanja? Znate li kako se događa gledanje. Kao prvo, treba nam svjetlost. Objekt koji sam nije svjetlosni izvor, koji ne emitira svjetlost, mora biti obasjan svjetlošću. Potom se ta svjetlost mora odbiti od objekta i doći u naše oko. Tu naravno nije kraj priče, no ostatak nije bitan za naš kontekst. Bitno je da objekt trebamo pogoditi sa svjetlošću, recimo usmjeriti uključenu baterijsku svjetiljku u njega, te da se ta svjetlost treba od objekta odbiti.
Zamislimo svjetlosni snop kao mnoštvo čestica svjetlosti, fizičari ih nazivaju fotonima, kojima objekt bombardiramo. Gledanje je na neki način nasilni događaj. Objekt gađamo sićušnim "lopticama" pa onda hvatamo odbijene "loptice". Na temelju uhvaćenih loptica gradimo sliku objekta. Zato je za dobru fotografiju važno dobro osvjetljenje, što više fotona.
I sad dolazi poanta priče. Svaki foton nosi energiju. Ali je ta energija jako mala u usporedbi s energijom potrebnom za pomicanje makroskopskog objekta. Mrava ne možemo "otpuhnuti" snopom iz baterijske lampe. Ali zato elektron možemo. Energija fotona dovoljna je da njome pomaknemo elektron. Gledanjem mrava nećemo poremetiti mrava, ali gledanjem fotona taj foton poremetimo. Gurnemo ga pa njegova brzina više nije kakva je bila.
Ali to nije sve. Što znači gledati preciznije? Sitnije detalje možemo "napipati" s fotonima kraće valne duljine. A kraća valna duljina znači, kao i kod svakog vala, veću frekvenciju. A frekvencija fotona je proporcionalna energiji. Usput, konstanta proporcionalnosti između frekvencije i energije je ponovo Planckova konstanta. Na tom je mjestu ta konstanta prvi put i uvedena čime je 1900. godine i rođena kvantna fizika. Uglavnom, preciznije gledamo s fotonima veće energije. A to opet znači da objekt opažanja onda snažnije udaramo. Pa mu stoga više mijenjamo brzinu. Dakle, što je položaj određeniji to je brzina neodređenija.
Taj primjer je tek jedna gruba ilustracija načela neodređenosti. Pomaže nam da shvatimo kako u subatomskom svijetu veća preciznost u određivanju jedne veličine automatski znači manju preciznost u određivanju druge veličine. No, načelo neodređenosti je puno šire od situacije "gledanja" elektrona. Gledanje, ili općenitije rečeno opažanje, nije uopće nužno da bi načelo neodređenosti vrijedilo. Mnogi fizičari smatraju primjer "gledanja" elektrona kontraproduktivnim zato što ostavlja krivi dojam da je neodređenost nekakav produkt opažanja. A kvantna neodređenost je zapravo temeljno svojstvo same materije koje proizlazi iz njezine valne prirode. Ne samo da se foton (elektromagnetski val) ponaša kao čestica nego se i elektron (temeljna čestica materije) ponaša kao val. I ne samo elektron. Sva materija ima valnu prirodu. Što je upravo čarobno, u Bohrovom smislu zapanjujućeg, ali nimalo mistično, u smislu u kojem to predstavljaju obmanjivači.