Główna Kwanty dla każdego. Jak zrozumieć to, czego nikt nie rozumie

Kwanty dla każdego. Jak zrozumieć to, czego nikt nie rozumie

5.0 / 0
Jak bardzo podobała Ci się ta książka?
Jaka jest jakość pobranego pliku?
Pobierz książkę, aby ocenić jej jakość
Jaka jest jakość pobranych plików?
Sądzisz, że Wszechświat jest zbudowany z cząstek - bardzo małych okruszków materii, takich jak neutron, proton, czy elektron? Wierzysz, że kot Schrödingera - bohater słynnego eksperymentu myślowego genialnego, austriackiego fizyka - jest żywy i martwy jednocześnie, dopóki ktoś nie zajrzy do pudła, w którym go zamknięto wraz z trucizną? Jesteś przekonany, że - tak jak uczono cię w szkole - foton jest zarazem cząstką i falą?
Jeśli tak, "Kwanty dla każdego" zmienią twoje życie, pokazując, że wszystko to nie jest do końca prawdą. Teoria kwantowa może wydawać się dziwna, ale nie jest wcale zagadkowa i można o niej opowiedzieć zrozumiałym językiem, a także w prosty sposób wyjaśnić wszystkie paradoksy. Poza tym jest po prostu piękna. Książka Arta Hobsona pozwoli ci zachwycić się Wszechświatem takim, jakim go opisuje teoria kwantów; takim, jakim jest on naprawdę.
Rok:
2017
Wydawnictwo:
Prószyński i S-ka
Język:
polish
Strony:
393
Plik:
PDF, 3,20 MB
Ściągnij (pdf, 3,20 MB)

Możesz być zainteresowany Powered by Rec2Me

 

Najbardziej popularne frazy

 
0 comments
 

To post a review, please sign in or sign up
Możesz zostawić recenzję książki i podzielić się swoimi doświadczeniami. Inni czytelnicy będą zainteresowani Twoją opinią na temat przeczytanych książek. Niezależnie od tego, czy książka ci się podoba, czy nie, jeśli powiesz im szczerze i szczegółowo, ludzie będą mogli znaleźć dla siebie nowe książki, które ich zainteresują.
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

Tytuł oryginału
TALES OF THE QUANTUM

Copyright © Oxford University Press 2017
All rights reserved

Projekt okładki
Magdalena Palej

Redaktor prowadzący
Adrian Markowski

Redakcja
Anna Kaniewska

Korekta
Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8169-515-2

Warszawa 2018

Wydawca
Prószyński Media Sp. z o.o.
02-697 Warszawa, ul. Gintrowskiego 28
www.proszynski.pl
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

Dla mojego brata, Richarda Hobsona
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

Spis treści
PRZEDMOWA
Rozdział 1. Wprowadzenie
CZĘŚĆ I. WSZECHŚWIAT JEST ZBUDOWANY Z KWANTÓW
Rozdział 2. O czym mówi fizyka kwantowa?
Rozdział 3. Cząstki i mechanika klasyczna
Rozdział 4. Pola i elektromagnetyzm klasyczny
Rozdział 5. Czym jest kwant?
CZĘŚĆ II. O TYM, JAK ZACHOWUJĄ SIĘ KWANTY
Rozdział 6. Doskonała losowość
Rozdział 7. Stany kwantowe i ich zmiany
Rozdział 8. Superpozycje i kwanty makroskopowe
Rozdział 9. Splątany, nielokalny Wszechświat
CZĘŚĆ III. WRACAJĄC DO NORMALNEGO ŚWIATA
Rozdział 10. Kot Schrödingera i „pomiar”
Rozdział 11. Środowisko jako ekran
SŁOWNICZEK
PODZIĘKOWANIA
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

PRZEDMOWA W okresie wczesnej
młodości moimi najbardziej
niezawodnymi przyjaciółmi były
opowieści zawarte w książkach,
poczynając od dr. Seussa przez serię
Hardy Boys po Tomka Sawyera. Z
fizyką zetknąłem się wiele lat później,
po uzyskaniu licencjatu w dziedzinie
muzyki i odbyciu służby wojskowej.
Studiując fizykę na Uniwersytecie
Stanu Kansas w mieście Manhattan,
byłem zachwycony tym, że wiele z
tego, co poznawałem z podręczników i
na wykładach, okazywało się
fascynującymi, często dziwnymi, lecz

zawsze poszerzającymi horyzonty
opowieściami. Teraz poznawałem
jednak prawdziwe opowieści o świecie
natury, który coraz mocniej mnie
intrygował. Objaśnienie sił działających
na lecący samolot, elegancki dowód, że
Ziemia porusza się wokół Słońca po
orbicie eliptycznej, albo omówienie
słynnego eksperymentu
demonstrującego falową naturę światła
– wszyst; ko to były fascynujące
przygody umysłu. Pięćdziesiąt pięć lat
później moja miłość do natury wciąż
jest równie silna.
Niniejsza książka opowiada o naszym kwantowym Wszechświecie w sposób
zrozumiały dla każdego, bez odwoływania się do matematyki lub fachowych
terminów. Moim protagonistą jest kwant, bez wątpienia najważniejszy aktor na
kosmicznej scenie. Większość autorów popularnonaukowych książek o fizyce
kwantowej buduje swoją opowieść wokół historii nauki, natomiast ja, tworząc
Kwanty dla każdego, skupiłem się na zjawiskach – piszę o dualizmie
korpuskularno-falowym, losowości leżącej u podstaw wszystkiego, znajdowaniu

się jednocześnie w dwóch różnych miejscach, przeskokach kwantowych – żeby
wymienić tylko kilka przykładów. Przywołuję wydarzenia historyczne i postaci
ludzi nauki tylko w stopniu niezbędnym do naświetlenia zjawisk. Mam jednak
szczerą nadzieję, iż Kwanty dla każdego cechuje narracja, która wciągnie na
równi osoby niezajmujące się nauką zawodowo, jak i naukowców. Książkę tę
pisałem z myślą o czytelniku, który chciałby lepiej pojąć mechanizmy działania
Wszechświata, zanim przyjdzie mu opuścić ten padół łez.
Główne przesłanie Kwantów dla każdego brzmi: fizyka kwantowa ma się
dobrze w takiej postaci, w jakiej funkcjonuje. Od lat dwudziestych XX wieku aż
do dzisiaj radykalna natura tej teorii prowokowała wielu uczonych, w tym
Alberta Einsteina, do poszukiwania skazy w tej czy innej kwantowej koncepcji,
a potem podjęcia próby jej naprawienia. Fizyka kwantowa jednak nie potrzebuje
naprawy. Teoria może wydawać się dziwna, ale nie jest zagadką. Przekonamy
się, że mieszczące się w jej ramach wszystkie rzekome paradoksy mają
rozwiązanie i da się je w spójny sposób objaśnić w zwykłym języku, bez
sięgania po algebrę, techniczny żargon lub moce nadprzyrodzone.
Najbardziej oryginalny fragment tej książki stanowi sugerowane rozwiązanie
problemu pomiaru w mechanice kwantowej, nazywanego inaczej paradoksem
kota Schrödingera. W rozdziale 10 formułuję tezę, iż rozwiązanie wyłania się z
sugestii sformułowanej po raz pierwszy w 1968 roku, pewnej wskazówki, którą
od tamtej pory na nowo odkrywało wielu fizyków, łącznie ze mną. Wychodząc z
tej przesłanki, na podstawie moich własnych dociekań wykazuję, że słynny kot
Schrödingera nie jest wcale bulwersującą „kwantową superpozycją” żywego i
martwego zwierzaka, jak się z początku wydaje, lecz zamiast tego całkowicie
nieparadoksalną „superpozycją korelacji” – objaśniam to właśnie w rozdziale 10.
W moim przekonaniu jedyną istotną kwestią, podstawową dla fizyki kwantowej
i nadal podlegającą dyskusji, pozostaje zagadnienie pomiaru. Niektórzy uważają
ją za wciąż nierozwiązaną, inni określają jako rozwiązaną, a jeszcze inni widzą
w niej problem tylko pozorny, który w ogóle nie wymaga rozwiązywania.
Kwestia ta jednak dzieli ekspertów i już sama jej nazwa sprawia kłopot.
Używając określenia problem pomiaru, sugerujemy, iż podstawy teorii
kwantowej mają coś wspólnego z istotami ludzkimi, które dokonują naukowych
pomiarów, przez co niektórzy dochodzą do wniosku, że po raz pierwszy od
czasów Kopernika fizyka kwantowa na powrót umieszcza ludzki umysł w
samym sercu fizyki. Z pełną powagą formułowano nawet myśl, że do
wyłonienia się z kwantowego świata normalnej fizycznej rzeczywistości
potrzebna jest ludzka świadomość.

Prace Wojciecha Żurka i wielu innych, choć nie doprowadziły do pełnego
rozwiązania problemu pomiaru, w jasny sposób pokazały, że pomiary
rzeczywiście stanowią element kluczowy w zrozumieniu tego, jak fizyka
kwantowa prowadzi do świata naszych codziennych doświadczeń. Te tak zwane
pomiary nie muszą jednak mieć nic wspólnego z człowiekiem – są
przeprowadzane nieustannie, jak Wszechświat długi i szeroki, przez środowisko.
Ludzka świadomość nie odgrywa żadnej zasadniczej roli w kształtowaniu
podstaw fizyki kwantowej.
Kolejną charakterystyczną cechą tej książki jest ujęcie słynnego zagadnienia
dualizmu korpuskularno-falowego. Czy Wszechświat zbudowany jest z fal
rozchodzących się w wypełniających przestrzeń „polach”, czy też z malutkich
cząstek, a może z jednego i drugiego? Zgodnie z tytułem mojego artykułu
opublikowanego w 2013 roku w „American Journal of Physics”, nie ma cząstek,
są tylko pola. Wszechświat w całości zbudowany jest z pól, takich jak pole
grawitacyjne Ziemi i pole magnetyczne, z którym zapewne zetknęliście się w
trakcie zabawy z magnesami. Z godnym uwagi wyjątkiem Richarda Feynmana
większość teoretyków pól kwantowych – fizyków, którzy zajmują się łączeniem
fizyki kwantowej z teorią względności Einsteina – przyjęła ten punkt widzenia,
ale jakimś sposobem podejście to nie dotarło do szerszych kręgów fizyków,
naukowców innych specjalności i opinii publicznej.
Poza kilkoma liczbami Kwanty dla każdego nie zawierają matematyki. Fizyk i
matematyk Paul Dirac stwierdził: „Matematyka jest jedynie narzędziem i
powinniśmy się nauczyć pielęgnować idee fizyczne we własnym umyśle, bez
nadawania im formy matematycznej”1. Niektórzy fizycy są jednak przekonani,
że jakakolwiek prezentacja fizyki kwantowej musi mieć formę matematyczną,
przez co nie może być zrozumiała dla laików, a jednocześnie ujęcie
popularyzatorskie, zrozumiałe dla większego grona odbiorców, musi być
nieadekwatne. Stanowczo się temu sprzeciwiam! Na poparcie mojego sprzeciwu
mogę przywołać mnóstwo dobrych książek o fizyce, które zostały napisane
językiem zrozumiałym dla laików, dalekim od technicznego żargonu i
naukowego stylu. Dzieła takie jak klasyczna pozycja Alberta Einsteina i
Leopolda Infelda, Ewolucja fizyki: rozwój poglądów od najdawniejszych pojęć
do teorii względności i kwantów (Prószyński i S-ka, Warszawa 1998), Briana
Greene’a Piękno Wszechświata: superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie
teorii ostatecznej (Prószyński i S-ka, Warszawa 2001) i Louisy Gilder The Age
of Entanglement: When Quantum Physics Was Reborn (Wiek splątania: gdy
narodziła się fizyka kwantowa) (Alfred A. Knopf, Nowy Jork 2008) pokazują, że

można adekwatnie objaśniać fizykę, w tym fizykę kwantową, bez uciekania się
do technicznego żargonu.
Chciałem napisać książkę, która zainteresuje i laików, i naukowców, toteż
wiele szczegółów zawarłem w licznych przypisach, stanowiących dodatkowy
komentarz i zawierających nieco pogłębioną analizę fachową. Przypisy te można
pominąć, gdy czytelnikowi zależy na płynnej lekturze. Na końcu dołączony jest
też obszerny słowniczek.
Co najmniej od czasów starożytnych Greków ludzie o inklinacjach
filozoficznych pragnęli wiedzieć, z czego zbudowany jest Wszechświat. Co jest
podstawowym tworzywem rzeczywistości i jak się ono zachowuje? Jedna z
popularnych odpowiedzi, iż tworzywem tym są atomy, okazała się przestarzała i
niepoprawna. Od kilkudziesięciu lat wiemy już, że większa część Wszechświata
wcale nie jest złożona z atomów. Atomy i wszystko inne zbudowane jest z
jeszcze bardziej podstawowych i bardziej intrygujących elementów. Nazywając
rzeczy po imieniu, powiedzielibyśmy – z „pól”, które upakowywane są w
„kwantach”. Punktem wyjścia książki są właśnie te dwa kluczowe pojęcia: pola i
kwanty. Można się do nich przyzwyczaić, można również uchwycić ich sens. W
odniesieniu do kwantu, niczym w stosunku do ekscentrycznego przyjaciela,
potrzeba odrobiny czasu, aby dobrze go zrozumieć. Kwanty dla każdego
umożliwiają poznanie tego nowego przyjaciela, ukazując naszego bohatera w
sposób bardziej ogólny w rozdziałach od 1 do 5, a potem skupiając się na
szczegółach w rozdziałach od 6 do 11.
Kiedy w 1958 roku Wolfgang Pauli przedstawił na Uniwersytecie Columbia
nową teorię kwantową cząstek elementarnych, Niels Bohr – jeden z ojców
założycieli fizyki kwantowej – podszedł do niego i powiedział: „Wszyscy
zgadzamy się co do tego, że pańska teoria jest szalona. Dzieli nas jedynie
wątpliwość, czy jest dostatecznie szalona, aby miała szansę być poprawna”2.
Natura jest znacznie bardziej pomysłowa, niż człowiek może sobie wyobrazić, i
świat mikroskopowy nie jest taki, jak Niels Bohr czy ktokolwiek inny mógł
przypuszczać. Fizyka kwantowa rzeczywiście jest dziwna. Niektórzy odrzucili
pewne jej aspekty właśnie z powodu tej dziwności, jednak sama dziwność nie
jest wystarczająco mocnym argumentem za odrzuceniem teorii naukowej.
Współcześni fizycy też muszą się do niej przyzwyczajać. Albert Einstein po
wysłuchaniu w 1927 roku wykładu Wernera Heisenberga na temat odkrytej
przez niego zasady nieoznaczoności powiedział: „Niezwykłe, jakież to pomysły
przychodzą do głowy młodym ludziom w tych czasach. Ja jednak nie wierzę w
ani jedno słowo”3. Człowiek poznający współczesną fizykę znajduje się trochę w

sytuacji noworodka po raz pierwszy stykającego się ze światem poza łonem
matki. Nie tego się spodziewał, ale jeśli zachowa otwarty umysł, może się w tym
wszystkim połapać.
Praca nad tą książką pozwoliła mi docenić fizykę kwantową jako zbiór
najbardziej fascynujących idei naukowych, z jakimi kiedykolwiek miałem
szansę się zetknąć. Mam nadzieję, że lektura Kwantów dla każdego dostarczy
czytelnikom równie dużo przyjemności, ile ja doznałem w trakcie jej pisania.
1 Paul Dirac, Quantum Mechanics, t. 4, Oxford University Press, Oksford 1958, s. vii.
2 Freeman J. Dyson, Innovation in Physics, „Scientific American” 1998, nr 199, s. 74–82.
3 Alan Mackay, A Dictionary of Scientific Quotations, IOP Publishing, Londyn 1991, s. 83.
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

Rozdział 1

Wprowadzenie Opowieść o kwancie w
szybie W szczególności teoria kwantowa
jest najbardziej inspirującą zmianą
światopoglądu od czasów starożytnych
Greków, którzy porzucili mitologię i
rozpoczęli poszukiwania racjonalnego
objaśnienia Wszechświata.
Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla i emerytowany dyrektor Fermilabu, oraz
Christopher Hill w książce Zrozumieć niepojęte Okno wystawowe sklepu skrywało tego
sobotniego ranka więcej tajemnic, niż Alicja mogła się spodziewać. Rynek starego miasta w
Fayetteville tonął w powodzi wiosennych kwiatów, targowisko aż kipiało od bukietów,
produktów żywnościowych, obrazów, wytworów rzemiosła artystycznego, muzyki, rozmów,
psów i ludzi zapełniających chodniki okolicznych ulic. Alicja szła powoli Block Avenue,
robiąc zakupy i popijając kawę z ulicznej budki. W taflach szyb wystawowych dostrzegała
swoje odbicie. Mogła wykorzystać wiedzę świeżo nabytą na kursie fizyki dla osób
niezajmujących się nauką zawodowo, na który uczęszczała na pobliskim Uniwersytecie
Stanu Arkansas – rozumiała, że aby mogła zobaczyć siebie w szybie, odbite od jej ciała
światło słoneczne musiało dotrzeć do okna, odbić się od szyby i przebyć drogę do jej oka.
Jednak było w tym coś jeszcze.

Alicja pomachała do znajdującego się wewnątrz przyjaciela, Boba,
zatrudnionego w sklepie na stanowisku ekspedienta. Bob zrewanżował się takim
samym gestem. To oczywiście nie uszło uwadze Alicji, toteż pomyślała, że
szyba nie tylko odbija obraz jej własnej postaci, ale przepuszcza go też do

wnętrza sklepu. Musiały więc istnieć dwa obrazy, jeden odbity, drugi
przepuszczony przez szybę.
Oto pożywka dla umysłu, zwłaszcza gdy ktoś przystanie i zastanowi się nad
tym, że – zgodnie z tym, co wyjaśniam na kolejnych stronach książki – całe
światło i wszystko inne zdaje się zbudowane z malutkich, zunifikowanych porcji
energii. Nazwijmy je kwantami. To główni bohaterowie tej książki. Nasze
rozważania na temat tego, co przytrafiło się Alicji owego ranka na rynku,
stanowią okazję do przeprowadzenia szybkiego przeglądu kilku podstawowych
zasad, dających wyobrażenie o kwantowym świecie. Pewne szczegóły mogą na
razie wydać się nieuchwytne, ale wrócę do nich później, nie ma więc powodu do
zmartwień.
Światło, które przenosi obraz Alicji, emitowane jest w wyniku szybkich zmian
pola elektromagnetycznego, podobnego do dobrze znanego pola
magnetycznego, jakie otacza każdy magnes i wywiera oddziaływanie na
pobliskie obiekty z żelaza. Wyraz pole, zastosowany przez fizyków, rozumiany
jest w tym kontekście podobnie do zwykłego znaczenia w określeniach takich
jak „pole karne” w piłce nożnej albo „pole kukurydzy”. Precyzyjniejszą
definicję tego ważnego słowa podam nieco później, na razie przyjmijmy, że pole
to obszar przestrzeni, który ma pewne określone właściwości fizyczne. Pole
elektromagnetyczne wypełnia przestrzeń, tak jak dym papierosowy wypełnia
pokój. Jest jednym z kilku skwantowanych pól Wszechświata – termin ten
oznacza, że energia pola występuje w formie wysoce jednolitych porcji lub
kwantów, z których każdy przenosi kwant (z łaciny quantus, czyli „dawka”)
energii. W przypadku światła kwanty te nazywamy fotonami. Tak więc światło
przenoszące obraz Alicji składa się z zylionów (moje określenie na absurdalnie
ogromną liczbę) fotonów.

Ilustracja 1.1 Interferometr Macha–Zehndera. Długość toru każdej z dwóch wiązek poruszających
się między płytkami półprzepuszczalnymi może być zmieniana, na przykład w wyniku drobnych
korekt położenia zwierciadeł. Za pomocą tego prostego aparatu można zademonstrować
większość charakterystycznych zjawisk kwantowych.

Kluczową cechą kwantów jest to, że są one niepodzielne4. Skoro więc zarówno
Alicja, jak i Bob widzą obraz Alicji, część z ogółu fotonów musi być
rejestrowana przez Boba we wnętrzu sklepu, pozostałe zaś rejestrowane są przez
Alicję na chodniku przed sklepem. O tym, jaki ułamek ogółu fotonów
rejestrowany jest we wnętrzu sklepu, a jaki na chodniku, decydują – jak zapewne
słusznie się spodziewacie – właściwości szklanej szyby.
Jest w tym jednak coś osobliwego: co się dzieje, gdy do szyby dociera dany
foton? Ponieważ nie może rozdzielić się na dwa kawałki, musi być
zarejestrowany albo przez Alicję (jest fotonem odbitym od szyby), albo przez
Boba (okazuje się fotonem, który przechodzi na drugą stronę szyby) Co
decyduje, którą drogą podąży dany kwant? Odpowiedź jest zaskakująca: nic o
tym nie decyduje. Charakter kwantu pociąga za sobą następującą konsekwencję,
potwierdzoną przez eksperymenty: natura jest w fundamentalny sposób
niedeterministyczna albo inaczej „losowa”. W precyzyjnych pomiarach
doświadczalnych, w których światło lasera kierowane jest na częściowo
przepuszczającą światło szklaną płytkę o wysokiej jakości wykonania,
naukowcy mają pewność, że wszystkie fotony są identyczne, a płytka idealnie
jednorodna. Skoro każdy foton napotyka takie same warunki, to należałoby się
.

spodziewać, że wszystkie zachowają się tak samo, gdy dotrą do szklanej płytki.
Tymczasem część z nich przechodzi na jej drugą stronę, podczas gdy inne się
odbijają. Nikt nie wie, nawet sama natura, jaką drogę wybierze dany foton. U
podstaw funkcjonowania natury leży całkowita losowość5.
Zanim nastał rok 1900, naukowcy sądzili, że jednakowe warunki prowadzą do
identycznych wyników. Cóż, nieprawda. Natura sprzeciwia się tej wiarygodnej
zasadzie, przewidywanej przez „fizykę klasyczną” i stosowanej od 1650 do 1900
roku, zgodnie z którą Wszechświat jest w pełni deterministyczny i zachowuje się
przewidywalnie niczym precyzyjny zegar. Natura nie jest jednak podobna do
zegara. Nie zna przyszłości, gdy aktywnie kreuje to, co w każdym momencie
przytrafia się każdemu kwantowi we Wszechświecie.
***
Powyższe sformułowanie jest wystarczająco dziwne, aby sprowokować pytanie:
skąd to wiemy? Takie pytanie zawsze jest znakomite. Stanowi podstawę w każdej
dziedzinie nauki. Skąd to wiemy? Zasoby wiedzy naukowej, w szczególności
dziwne stwierdzenia naukowe, muszą być poparte dowodami.
Oto dowód na losowość kwantową. Interferometr Macha–Zehndera (ilustracja
1.1) jest aparatem służącym do łączenia promieni świetlnych przechodzących
przez zwierciadło i odbitych od zwierciadła. Na ilustracji płytka
półprzepuszczalna 1 działa jak szyba wystawy sklepowej. Jest to szklana płytka,
tu przedstawiona od strony krawędzi, która przepuszcza 50 procent padającego
światła, a 50 procent odbija. Płytka nie jest ustawiona prostopadle do toru
nadlatujących fotonów, ale pod kątem 45 stopni do niego, przez co odbite fotony
kierowane są na tor 1, pionowo względem ich pierwotnego toru, podczas gdy te
przechodzące poruszają się poziomo po torze 26. Długość każdego toru wynosi
metr (m), może dwa, całość jest starannie przygotowana na stole
laboratoryjnym. Zwierciadła kierują fotony do punktu, w którym wiązki się
przecinają, gdzie eksperymentator, jeśli chce, może umieścić drugą płytkę
półprzepuszczalną.
Załóżmy, że na wejściu do tego układu znajduje się jeden foton i nie ma
drugiej płytki półprzepuszczalnej. Co się dzieje, gdy foton dociera do pierwszej
płytki półprzepuszczalnej? Zostaje odbity, przechodzi, a może dzieje się jedno i
drugie? Eksperyment pokazuje, że zawsze, czy to na detektorze 1, czy na
detektorze 2, rejestrowany jest jeden cały foton. Detektory 1 i 2 mogą być
oczami dwóch różnych obserwatorów7, mogą być też czujnikami

laboratoryjnymi, które w momencie wykrycia światła emitują sygnał dźwiękowy
lub informują o tym w dowolny inny sposób. Tak więc pod nieobecność drugiej
płytki półprzepuszczalnej doświadczenie oddaje sytuację, gdy fotony odbijają
się od szyby i Alicja widzi swoje odbicie, a inne fotony przechodzą przez szybę i
Bob we wnętrzu sklepu widzi Alicję na chodniku. Doświadczenie potwierdza
istnienie niepodzielnych kwantów, detektory bowiem zawsze rejestrują albo
pojedynczy foton, albo nic, nigdy zaś nie wykrywają ułamka fotonu.
Doświadczenie potwierdza też losowość kwantową: kiedy do układu
wprowadzanych jest wiele fotonów (po lewej, u dołu), statystyka zliczeń staje
się całkowicie przypadkowa – znaczy to, że poszczególne wyniki (foton pada na
detektor 1 albo foton pada na detektor 2) są absolutnie nieprzewidywalne.
Możemy siedzieć cały dzień i obserwować, jak detektory rejestrują fotony, ale i
tak nie będziemy wiedzieć, gdzie trafi następny, choć przecież wszystkie cząstki
są przygotowane w jednakowy sposób i znajdują się pod wpływem identycznych
warunków.
Można mieć obiekcje co do tego, czy jedno doświadczenie pozwala
jednoznacznie dowodzić, że tor, „którym podąża foton”, jest wybierany w
sposób losowy. Może inna płytka półprzepuszczalna albo inny zestaw
doświadczalny dałyby wyniki, które zdołalibyśmy przewidzieć. Takie
wątpliwości są całkowicie zasadne. Tak naprawdę na podstawie doświadczeń nie
można dowieść słuszności jakiejkolwiek ogólnej zasady w nauce, ponieważ
opierając się na pojedynczych przypadkach, nie da się na gruncie logiki dowieść
poprawności ogólnego stwierdzenia. Doświadczenie może jedynie
„weryfikować” jakąś ogólną zasadę – potwierdzać jej słuszność, co nie znaczy,
że będzie stanowić absolutny dowód jej poprawności. Tymczasem jedno
przekonujące doświadczenie, którego wyniki przeczą ogólnej zasadzie, potrafi tę
zasadę obalić. Nauka opiera się na podstawach, które są uzasadnione w świetle
posiadanych dowodów. W rozdziale 6 przedstawiam dalsze dowody na
charakteryzującą ten eksperyment całkowitą nieprzewidywalność.
Kiedy w zestawie pojawia się druga płytka półprzepuszczalna, dzieje się coś
nowego. Druga płytka półprzepuszczalna miesza wiązki z obu ścieżek. Jeżeli
foton znalazł się na ścieżce 1, zostanie (z prawdopodobieństwem równym 50
procent) przepuszczony do detektora 1 albo odbity do detektora 2; jeśli zaś
znalazł się na ścieżce 2, zostanie (również z prawdopodobieństwem równym 50
procent) odbity do detektora 1 albo przepuszczony do detektora 2. Tak więc
niezależnie od ścieżki ruchu foton rejestrowany jest albo przez detektor 1, albo
przez detektor 2, z prawdopodobieństwem równym 50 procent dla każdej z

dwóch opcji. Wobec tego detektory nie dostarczają teraz żadnej wskazówki co
do toru ruchu fotonu. Matematyka fizyki kwantowej sugeruje, a natura to
potwierdza, że zawsze gdy eksperyment nie dostarcza informacji na temat toru
fotonu, ewentualnie jakiegokolwiek innego kwantu, foton wybiera jednocześnie
wszystkie możliwe tory. Macie wrażenie, że brzmi to dziwnie? Jeśli tak, nie
jesteście w tym odosobnieni.
Znaczy to, że każdy foton porusza się jednocześnie dwoma osobnymi torami!
Trudno dać temu wiarę. Do układu wprowadzono tylko jeden foton, detektory
zawsze rejestrują dokładnie jeden foton, a cząstki te nigdy nie ulegają
podziałowi... mimo to mówię, że foton jest obecny na obu torach? Wolne żarty!
Jakim sposobem może on się poruszać w dwóch różnych kierunkach, być
jednocześnie w dwóch różnych miejscach?
Co więcej, to jednoczesne poruszanie się w dwóch różnych kierunkach musi
zachodzić niezależnie od tego, czy w układzie jest obecna druga płytka
półprzepuszczalna, czy też jej nie ma. Przecież docierając do pierwszej płytki,
foton nie może „wiedzieć”, czy „nieco dalej” znajduje się druga płytka
półprzepuszczalna. To oznacza, że w przykładzie z oknem wystawowym sklepu
w Fayetteville wszystkie fotony poruszają się w obu kierunkach, do Alicji i do
Boba, jednak jakimś sposobem każdy rejestrowany jest tylko przez jedno z nich,
albo przez Alicję, albo przez Boba.
Gdybym już w tym momencie zaprezentował mocne dowody na poparcie tego,
byłoby to niepedagogiczne. Dowody znajdą się w rozdziale 8. Krótkie fachowe
uzasadnienie zawierają przypisy8.
To jednoczesne poruszanie się w dwóch kierunkach, nazywane superpozycją,
zmusza nas do zakwestionowania idei, zaprezentowanej we wcześniejszym
akapicie, iż światło składa się z jednakowych pakietów9. Może na pierwszej
płytce półprzepuszczalnej każdy foton ulega rozłożeniu na dwie części, z
których każda podąża swoim torem. Eksperyment dostarcza jednak dowodów
przeciwko takiej sugestii. Gdyby na pierwszej płytce półprzepuszczalnej światło
zwyczajnie dzieliło się na części podążające dwoma torami, to wówczas, pod
nieobecność drugiej płytki półprzepuszczalnej, oba detektory powinny
jednocześnie wyemitować sygnał. Problem w tym, że nigdy nie zdarza się, aby
oba detektory jednocześnie wyemitowały sygnał, z czego wynika, iż w danej
chwili w aparaturze znajduje się jeden obiekt, a nie dwa. Nie ma dowodu na to,
by foton mógł ulec podziałowi.
Uwaga: choć fotony i inne kwanty trafiają do detektorów po jednym naraz, jak
małe cząstki, to jednak nie są cząstkami. Przez całą książkę będziemy do tego

wracać i przekonacie się, że wszystkie kwanty są obiektami rozciągłymi w
przestrzeni, które czasami zachowują jak małe cząstki. Takie wyobrażenie
fotonu pomoże nam zrozumieć, jakim sposobem może on jednocześnie poruszać
się obydwiema ścieżkami w interferometrze: foton jest obiektem zajmującym
duży obszar przestrzeni, podobnym do chmury dymu, rozpościerającym się na
oba tory ruchu, zawsze gdy dwa tory są dostępne.
Jeżeli wydaje wam się to dziwaczne, skwapliwie się z taką oceną zgodzę.
Ponieważ nauka zawsze usiłuje znaleźć najmniej dziwaczne wytłumaczenie
zjawisk (zasada ekonomii myślenia, znana jako brzytwa Ockhama), trzeba było
dziesięcioleci wypełnionych eksperymentami, dyskusjami i teoretyzowaniem,
nim te dziwne wyobrażenia zyskały akceptację. Tak naprawdę do dzisiaj wciąż
trwa dyskusja wokół pewnych podstawowych kwestii dotyczących fizyki
kwantowej.
Na przykład Werner Heisenberg był sfrustrowany niezgodnym z intuicją i
pozornie pełnym sprzeczności zachowaniem kwantowym. Pisał: „Pamiętam
dyskusje z Bohrem, które ciągnęły się godzinami do późnej nocy i doprowadzały
mnie niemal do rozpaczy. Kiedy na koniec szedłem do pobliskiego parku, aby
zaczerpnąć powietrza, raz po raz powtarzałem w myślach to pytanie: czy natura
naprawdę może być tak absurdalna, jak wynika to z tych eksperymentów na
atomach?”. Przy innej okazji intensywna wymiana zdań z Bohrem doprowadziła
Heisenberga do łez10.
Dziwne wyjaśnienia, takie jak przypisywanie pojedynczemu fotonowi
zdolności jednoczesnego poruszania się po dwóch różnych torach, ostatecznie
zostały zaakceptowane, ponieważ każde prostsze wyjaśnienie okazało się
sprzeczne z dowodami doświadczalnymi. My, naukowcy, nie ścigamy się, kto
wymyśli najdziwniejszą teorię. Często jednak materiał dowodowy i logika
zmuszają nas do formułowania takich wniosków, nawet jeśli proces może okazać
się bolesny i doprowadzi nas do łez.
***
W naszej opowieści nastąpi teraz kolejny szatański zwrot. Opisane tu
zachowanie dotyczy nie tylko światła, lecz także wszystkiego, co znamy, z
ciałami materialnymi włącznie – ciałami, które w przeciwieństwie do światła
mają masę. Pomyślcie na przykład o atomach – najmniejszych elementach
składowych pierwiastków chemicznych zachowujących właściwości pierwiastka
(atom żelaza jest najmniejszą częścią żelaza, która wciąż zachowuje się jak

żelazo). W przeciwieństwie do fotonów atomy i cząsteczki (grupy połączonych
atomów) są obiektami materialnymi. Tymczasem mają w repertuarze te same
sztuczki co fotony – dotyczą ich superpozycja i fundamentalna losowość.
Właściwie należałoby stwierdzić, że fizyka kwantowa stosuje się również do
obiektów makroskopowych (widzialnych bez konieczności sięgania po
mikroskop), aczkolwiek wytworzenie efektów kwantowych, które w przypadku
tak dużych ciał dałoby się zaobserwować, jest szalenie trudne11. Jak dotąd,
zgodnie z naszą wiedzą, wszystko podlega fizyce kwantowej.
Obiekty materialne wokół nas złożone są z zylionów atomów. Każdy atom ma
w samym środku naprawdę malutkie jądro, w pobliżu którego znajdują się
bardzo małe, naprawdę bardzo małe elektrony, a jądra składają się z cząstek
nazywanych protonami i neutronami. Z powodu podobieństwa do Słońca i
krążących wokół niego planet ten uproszczony obraz struktury atomowej znany
jest jako model planetarny atomu (określenie „model” rozumiane jest jako
uproszczone objaśnienie). Atomy spajane są oddziaływaniem elektrycznym –
każdy proton przenosi „ładunek dodatni”, każdy elektron „ładunek ujemny”, a
ładunki elektryczne przeciwnego znaku się przyciągają. Tak więc jądro atomu
przyciąga elektrony i utrzymuje te cząstki w swoim sąsiedztwie. Neutrony nie
przenoszą ładunku elektrycznego (to znaczy, że są elektrycznie obojętne).
Powiem to jeszcze raz. O ile nam wiadomo, wszystkie te ciała fizyczne –
elektrony, protony, neutrony, jądra atomów, atomy, cząsteczki, a nawet piłki
baseballowe i stoły, wszystkie te ciała, tak jak światło, podlegają zasadom fizyki
kwantowej.
Najbardziej podstawową kwantową cechą światła i innych rodzajów
promieniowania elektromagnetycznego jest to, że jest dzielone lub kwantowane
na pojedyncze pakiety nazywane fotonami. Materia również jest skwantowana.
Istnieje kilka rodzajów kwantów materii. Słyszeliście o niektórych z nich:
elektrony, protony, atomy i cząsteczki. Ponieważ wszyscy pamiętamy, że materia
zbudowana jest z atomów, pojęcie jej kwantowania nie powinno zaskakiwać.
Zaskakujące jest to, że wspomniane kwanty materii podporządkowane są tym
samym dziwacznym zasadom, które omówiliśmy dla fotonów.
Na przykład Antonowi Zeilingerowi, fizykowi z Uniwersytetu Wiedeńskiego,
udało się wymusić stan superpozycji jednoczesnego ruchu po dwóch różnych
torach dla cząsteczek złożonych z 60 i więcej atomów węgla, jak robiły to
fotony w interferometrze Macha–Zehndera. Według atomowych standardów
taka cząsteczka jest już bryłą materii pokaźnych rozmiarów. Każdy z tworzących
ją sześćdziesięciu atomów zawiera sześć protonów, sześć neutronów i sześć

elektronów, co łącznie daje ponad tysiąc subatomowych kwantów.
Zdumiewające, że tak duży i złożony obiekt potrafi wykonać sztuczkę z
jednoczesną obecnością w dwóch różnych miejscach. W końcu naukowcom
nigdy nie udało się zaobserwować, aby piłka baseballowa lub choćby
najmniejszy pyłek kurzu znajdowały się jednocześnie w dwóch różnych
miejscach. Tymczasem w świecie mikroskopowym zachodzi to regularnie i
fizyka kwantowa przewiduje, iż nawet w przypadku obiektu o rozmiarach piłki
baseballowej może do tego dojść, choć taki eksperyment napotyka ogromne
trudności. W rozdziale 8 poznamy ciało fizyczne dostatecznie duże, aby można
je było dojrzeć (ledwie) gołym okiem, które udało się wprowadzić w stan
superpozycji jednoczesnego ruchu dwoma różnymi torami – największa
kwantowa superpozycja, jaką kiedykolwiek udało się osiągnąć.
Istnieje proste, aczkolwiek zaskakujące objaśnienie tego dziwnego zjawiska
(szczegóły w rozdziale 5). Rzeczywistość tworzona jest przez fale rozchodzące
się w niewidzialnych polach. Kwanty, tak jak fotony, elektrony, atomy i
cząsteczki, nie są „ciałami”, lecz falami rozchodzącymi się w polach,
podobnymi do zmarszczek na powierzchni wody, które są w istocie falą na
wodzie. Superpozycja jest dla fal czymś powszechnym. Jako klasyczną (czyli
nie kwantową) analogię wyobraźcie sobie niezmąconą powierzchnię stawu,
której wschodnią połówkę pokrywa cienka warstwa ropy naftowej, podczas gdy
zachodnia połówka jest czysta. Do zachodniej połówki wrzucamy nieduży
kamień, co skutkuje powstaniem fal na powierzchni stawu, rozchodzących się
we wszystkich kierunkach od miejsca zetknięcia się kamienia z wodą (zwróćcie
uwagę, że fale na wodzie nie są zjawiskiem kwantowym – to zjawisko fizyki
klasycznej, które, tak się składa, odzwierciedla pewne aspekty funkcjonowania
kwantów). Prawdopodobnie nie bylibyście zaskoczeni, gdyby fale częściowo
odbiły się od granicy wyznaczanej przez plamę ropy naftowej i wróciły na
zachodnią stronę, podczas gdy druga ich część przekroczyłaby granicę i
kontynuowałaby rozprzestrzenianie się w kierunku wschodnim. Pierwotna
zmarszczka na wodzie jest teraz dwiema zmarszczkami, w dwóch różnych
miejscach. Takie rzeczy dzieją się z falami nieustannie i nie jest to dla nas
zaskakujące ani nie uważamy, że jest sprzeczne z intuicją, gdy uświadomimy
sobie, iż mówimy o fali na wodzie.
Nasz eksperyment z interferometrem właśnie tak przebiega. Każdy foton
(myślcie o nim jak o zmarszczce) od spotkania z płytką półprzepuszczalną
numer 1 zaczyna się poruszać obydwoma dostępnymi torami. Rzeczywiście
zaskakująca jest pewna wyjątkowo kwantowa własność: otóż nasze zmarszczki,

w przeciwieństwie do tych na wodzie, pozostają pojedynczym fotonem, ale w
dwóch miejscach. W wodzie pierwotny pakiet zmarszczek wytwarza dwa
pakiety zmarszczek przemieszczających się w dwóch różnych kierunkach, co
mogą potwierdzić obserwatorzy znajdujący się po obu stronach stawu,
wschodniej i zachodniej. Tymczasem w eksperymencie z interferometrem
zawsze wykrywamy tylko jeden foton, nigdy dwa. Foton jest pojedynczym
bytem, który naprawdę może znajdować się jednocześnie w dwóch miejscach.
Materia zachowuje się w ten sam sposób. Materialna cząsteczka również jest
falą rozchodzącą się w polu i może znajdować się jednocześnie w dwóch
miejscach. Tak naprawdę zasadniczo każde ciało fizyczne może znajdować się
równocześnie w dwóch miejscach.
Jak widać, macie o czym myśleć, gdy następnym razem zatrzymacie się przed
szybą wystawową.

Niezwykły kwant Teoria kwantowa cechuje się zapewne
największym zasięgiem, największą precyzją i
największą opłacalnością ekonomiczną ze wszystkich
teorii, jakie kiedykolwiek sformułowano.
O zasięgu oddziaływania teorii świadczy to, że choć fizyka kwantowa zajmuje
się przede wszystkim małymi obiektami, takimi jak fotony i atomy, to wynikają
z niej niezwykle ważne wnioski dotyczące obiektów tak wielkich jak sam
Wszechświat. Fizycy zgadzają się co do tego, że ogólna teoria względności
Einsteina prawidłowo opisuje ewolucję i strukturę Wszechświata w wielkiej
skali, panuje też powszechna zgoda, iż struktura materii i energii w małej skali
podlega prawom fizyki kwantowej. I tu pojawia się problem. Kiedy naukowcy
stosują ogólną teorię względności do pewnych zjawisk obejmujących niewielkie
obszary przestrzeni, natrafiają na oczywiste błędy związane z faktem, iż teoria ta
nie zawiera zasad fizyki kwantowej.
Przykładem mogą być czarne dziury. Gwiazdy są zbudowane w większości z
najprostszych rodzajów atomów, czyli atomów wodoru i helu. Energię potrzebną
do wytwarzania ciepła i światła czerpią z reakcji syntezy jądrowej, w wyniku
której wodór przekształca się w hel. Kiedyś jednak paliwo wodorowe się
wyczerpuje, co prowadzi do agonii gwiazdy, która może przebiegać na kilka

sposobów, zależnie od ogólnej masy (ciężaru) obiektu. To ostatnie stadium
zawsze wiąże się z kolapsem, gdy pod wpływem własnego ciążenia gwiazda
zostaje ściśnięta do niewielkiego ułamka pierwotnej objętości. W przypadku
najmasywniejszych gwiazd kolaps prowadzi do powstania czarnej dziury, stanu,
o którym ogólna teoria względności mówi, że gwiazda szybko zapada się do
zerowej objętości. Czy „zero” oznacza tu zero absolutne? Owszem, tak
przewiduje teoria.
Przewidywanie to stoi jednak w sprzeczności z założeniami fizyki kwantowej,
która po zapadnięciu się gwiazdy do rozmiarów atomowych ma do powiedzenia
wiele istotnych rzeczy. Tak więc fizycy próbują włączyć zasady fizyki
kwantowej do ogólnej teorii względności. Jak możecie sobie wyobrazić, kiedy
nauka musi się zmierzyć z dwiema tak potężnymi teoriami, jedną dostosowaną
do skali kosmicznej i drugą do skali mikroskopowej, wysiłek zmierzający do ich
połączenia skutkuje pojawieniem się niezwykłych teorii i spekulacji – teorii, w
które nie zamierzam się tu zagłębiać.
Z podobną zagadką mamy do czynienia, gdy próbujemy snuć rozważania na
temat początku Wszechświata. Wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu,
kwantowego zdarzenia, do którego doszło 13,798 ± 0,037 miliarda lat temu.
Poświatę pozostałą po tym burzliwym początku wciąż mogą wychwycić
wyrafinowane przyrządy, które sięgają głęboko w otchłań kosmosu, a więc
jednocześnie w odległą przeszłość (rejestrują światło, które liczy niemal 14
miliardów lat), aby wykryć docierające do Ziemi promieniowanie powstałe w
Wielkim Wybuchu. Promieniowanie to wskazuje na fakt, że Wielki Wybuch
zaczął się w obszarze o mikroskopijnych rozmiarach, w którym niepodzielnie
rządzi fizyka kwantowa. Wielki Wybuch wiąże się jednak z powstaniem
kolosalnych ilości materii i energii, toteż ogromną rolę odgrywają tu zasady
ogólnej teorii względności. Znowu trzeba zmierzyć się z trudnym problemem,
jakim jest połączenie ogólnej teorii względności z fizyką kwantową.
Fizycy są zgodni, że w przyszłości uda się opracować jedną, spójną teorię,
która połączy ogólną teorię względności z fizyką kwantową. Przecież natura nie
może sama sobie przeczyć na gruncie logiki, a obecnie tak właśnie wygląda
sytuacja, ponieważ obie wspomniane teorie przeczą sobie, gdy zastosować je do
zylionów czarnych dziur w kosmosie i początków Wszechświata. Musi istnieć
sposób na zespolenie tych dwóch teorii w jedną, której przybliżeniem w dużej
skali będzie ogólna teoria względności, a w małej skali fizyka kwantowa.
Taka „teoria wszystkiego” byłaby ostateczną opowieścią o kwancie.
Spodziewamy się, że będzie to teoria kwantowa – teoria zawierająca główne

zasady fizyki kwantowej. Kiedy ją odkryjemy – jeśli się to uda – będzie to teoria
w zasadzie opisująca każde ciało fizyczne – od kwarków, które tworzą protony i
neutrony, po cały kosmos.
***
Odnośnie do drugiego punktu na mojej liście zalet teorii kwantowej zauważmy,
że jej precyzja jest zdumiewająca. Rozważmy na przykład światło emitowane
przez atomy. Przewidywania formułowane przez fizykę kwantową są
szczególnie dokładne w odniesieniu do najprostszego i najpowszechniej
występującego w naturze atomu – atomu wodoru. Niemal każdy atom wodoru
ma jądro składające się z pojedynczego protonu i jeden elektron krążący wokół
jądra. Teoria kwantowa przewiduje, iż wszystkie atomy emitują światło, gdy
przechodzą z jednego „stanu atomowego” w inny stan, gdyż takiemu przejściu
towarzyszy emisja fotonu. Oto co się pod tym kryje.
Zasady kwantowe nakładają na elektron w atomie wodoru ograniczenia: musi
się on poruszać, pozostając tylko w określonych „stanach ruchu”. Dla elektronu
istnieje wiele takich stanów atomowych, z których każdy charakteryzuje
konkretna i przewidywalna ilość energii, coś w rodzaju sytuacji, gdy wentylator
może pracować w trybach: szybko, średnio, powoli12. (Mała dygresja: kilka razy
użyłem znajomego wyrazu energia bez podania definicji, ponieważ większość
ludzi ma ogólne pojęcie, czym ona jest. Obecnie takie ogólne pojęcie w
zupełności wystarczy. Dla fizyków jest to najważniejsze słowo i konieczna jest
jego jasna definicja. Zetkniemy się z nią w rozdziale 3). Według teorii atomy
emitują światło i inne rodzaje promieniowania, gdy przechodzą ze stanu o
wyższej energii do stanu o niższej energii, a procesowi towarzyszy emisja
fotonu. Ponieważ energia całkowita zawsze jest zachowana (rozdział 3), energia
fotonu musi równać się energii traconej w wyniku „spadku” do stanu o niższej
energii. Okazuje się (rozdział 5), że energia fotonu określa długość fali
(odległość między dwoma kolejnymi grzbietami fali) promieniowania
emitowanego przez atom.
Właśnie w taki sposób fizyka kwantowa może przewidywać długość fali
światła widzialnego o różnych barwach i innych rodzajów promieniowania, jakie
mogą być emitowane przez atom wodoru. Ten zbiór długości fali nazywany jest
widmem (określenie to odnosi się do „zakresu”, zwykle występuje w kontekście
zakresu długości fal) atomu wodoru w obszarze widzialnym. Jeśli podgrzejemy
zbiornik z atomami wodoru, to „wzbudzimy” wiele atomów do wyższych

stanów energetycznych i atomy te będą w sposób ciągły uwalniać tę energię,
emitując fotony o długościach fali należących do widma atomu wodoru13. To
dlatego gorący gaz świeci, jak w przypadku Słońca lub reklamy neonowej14.
Jeśli użyjemy pryzmatu lub innego przyrządu zakrzywiającego i
rozszczepiającego różne barwy (różne długości fali) światła, to stopień
zakrzywienia powie nam, jaką długość fali ma każda barwa. Te długości fali da
się przewidywać i mierzyć z bardzo dużą dokładnością. Na przykład
przewidywana długość fali światła emitowanego przez atom wodoru przy
przejściu z pierwszego podwyższonego stanu energetycznego do najniższego
możliwego poziomu energetycznego wynosi 0,000 000 121 568 metra. Długość
fali światła emitowanego przez atomy jest bardzo mała, czego należałoby się
spodziewać, skoro fala powstaje wewnątrz tak niewielkiego obiektu. Okazuje
się, że ta konkretna długość fali jest zbyt mała, aby zmieścić się w zakresie
światła widzialnego; leży w zakresie ultrafioletu (ponad fioletem, co znaczy, że
niesie więcej energii niż światło fioletowe). Po uwzględnieniu przedziału błędu
pomiarowego okazuje się, że zmierzona długość fali jest zgodna z
przewidywaniami. Przeprowadzanie pomiaru z dokładnością do sześciu cyfr
znaczących jest typowe dla fizyki atomowej.
Analiza widmowa jest jednym z najbardziej owocnych przedsięwzięć
naukowych, dostarczającym mnóstwa bardzo precyzyjnych informacji,
wykorzystywanych w najróżniejszych działach nauki i techniki. Nie byłaby
jednak możliwa bez fizyki kwantowej.
***
Opowieść o najdokładniejszej prognozie w historii nauki ma swoje źródło w
dziedzinie zwanej elektrodynamiką kwantową.
Każdy elektron wytwarza w otaczającej go przestrzeni efekty związane z
oddziaływaniem elektrycznym i magnetycznym. Jedną z przyczyn
występowania efektów magnetycznych jest to, że każdy elektron charakteryzuje
nieodłączny obrót: tak jak Ziemia obraca się wokół osi północ–południe,
elektron zawsze obraca się wokół jakiejś osi. Podstawowy fakt dotyczący natury
jest taki, że ten obrót ma określoną wartość, jednakową dla wszystkich
elektronów, nie można go wyłączyć ani zmienić. Ten ruch cząstki obdarzonej
ładunkiem elektrycznym zawsze wytwarza efekty związane z oddziaływaniem
magnetycznym (rozdział 4). Siła efektów magnetycznych stwarzanych przez
obracający się elektron jest wyrażana ilościowo za pomocą momentu

magnetycznego elektronu, wielkości, którą – jak się okazuje – można byłoby
łatwo wyliczyć, gdyby nie jeden kluczowy czynnik nazywany czynnikiem g. Bez
wnikania w szczegóły związane ze znaczeniem czynnika g istotne dla nas jest to,
że można precyzyjnie przewidzieć jego wartość, a także dokonać jego pomiaru z
dużą dokładnością, co nadaje mu rangę ważnego narzędzia do porównania teorii
kwantowej z rzeczywistością laboratoryjnych doświadczeń. Tak się składa, że
jest to czysta, bezwymiarowa liczba (to znaczy, że jest to ta sama liczba w
każdym układzie pomiarowym). Aby dokonać pomiaru tej własności elektronu,
eksperymentatorzy muszą całymi miesiącami utrzymywać pojedynczy elektron
zawieszony w silnym polu magnetycznym, co już samo w sobie jest nie lada
osiągnięciem. Najświeższy pomiar dał wartość 0,001 159 652 180 73 (28), której
dwie ostatnie cyfry, w nawiasie, obarczone są niepewnością15. Tak więc czynnik
g elektronu został zmierzony z dokładnością do 12 cyfr znaczących, nawet do 14
cyfr znaczących, choć z większą niepewnością. Teoretycy kwantowi potrafią go
wyliczyć z dokładnością do 12 cyfr znaczących. Obliczenia obejmują dziesiątki
tysięcy żmudnych, osobnych rachunków, które w ciągu ostatnich sześćdziesięciu
lat przeprowadzano z rosnącą dokładnością. Ich wynik stanowi 12 tych samych
cyfr znaczących!
To niesamowite. Jesteśmy w stanie przewidzieć konkretną, dwunastocyfrową
liczbę. Możemy powiedzieć komukolwiek: „Jeśli wejdziesz do laboratorium i
zrobisz to i tamto, odkryjesz taką dwunastocyfrową liczbę”. I kiedy wykona on
dokładnie podane czynności, odkryje, że Matka Natura weryfikuje to
przewidywanie. Tysiące lat temu pewne kultury umiały przewidywać, mniej
więcej, położenie względem horyzontu Słońca wschodzącego w najdłuższym
dniu w roku i moment wystąpienia tego efektu, jak też innych zjawisk
niebieskich. Dowodem tego, że podobne prognozy traktowano z wielkim
respektem, są budowle epoki kamienia łupanego, takie jak monument
Stonehenge w Anglii, wzniesiony częściowo jako obserwatorium takich
zjawisk16. Dalece precyzyjniejsze i szczegółowe przewidywania formułowane
przez fizykę kwantową powinny być postrzegane w ten sam sposób, jako
wzbudzające podziw przykłady zdolności ludzi do rozumienia natury i łączenia
się z nią. Mam nadzieję, że to, o czym opowiem w książce, wzbudzi w
czytelnikach podobny podziw.
***
Opłacalność ekonomiczną zaś uzasadnia fakt, że cała dzisiejsza gospodarka

światowa jest mocno związana z pojmowaniem fizyki kwantowej. Komputery,
tranzystory, lasery, a nawet ogólnoświatowa sieć Internetu, zostały wynalezione
przez fizyków, których badania koncentrowały się na fizyce kwantowej17.
Praktycznie wszystkie przedsięwzięcia biznesowe na świecie powiązane są z
tymi technologiami. Trudno może wycenić ten wpływ, jednak w 2001 roku
szacowano, że zależało od niego 30 procent produktu narodowego brutto Stanów
Zjednoczonych18, a dziś z pewnością sięga on kwot wielu bilionów dolarów
rocznie w Stanach Zjednoczonych i dziesiątek bilionów dolarów rocznie na
świecie.
Fizyka kwantowa stoi za takimi zastosowaniami technicznymi, jak tranzystor
(który stanowił podstawę rewolucji informatycznej), diody tunelowe, lasery,
masery, światłowody, aparaty rentgenowskie, magnetronika, źródła
promieniowania synchrotronowego, radioznaczniki, skaningowe mikroskopy
tunelowe, magnesy nadprzewodzące, mikroskopy elektronowe, pozytonowa
tomografia emisyjna (PET), tomografia komputerowa (CAT), obrazowanie
metodą rezonansu magnetycznego (MRI), substancje nadciekłe, reaktory
jądrowe, bomby jądrowe, magnetyczny rezonans jądrowy, medycyna jądrowa,
mikroprocesory i półprzewodniki. To tylko wybrane przykłady ze znacznie
dłuższej listy.

Rozterki związane z podstawami teorii kwantowej Jest
czymś zaskakującym, że ponad sto lat po narodzinach
fizyki kwantowej podstawy teorii kwantowej wciąż są
przedmiotem dyskusji. Na konferencji zorganizowanej w
2011 roku przez Antona Zeilingera pod hasłem „Fizyka
kwantowa i natura rzeczywistości” 27 fizyków, 5
filozofów i 3 matematyków otrzymało do wypełnienia
kwestionariusz zawierający 16 pytań wielokrotnego
wyboru odnoszących się do podstawowych kwestii fizyki
kwantowej. Znaczna liczba uczestników konferencji
wyraziła sprzeciw wobec niektórych fundamentalnych

zasad. Organizatorzy podsumowali wyniki ankiety
następującymi słowami: „W społeczności naukowej
wciąż nie ma zgody odnośnie do interpretacji
podstawowych elementów tworzących teorię. Nasza
ankieta stanowi pilne przypomnienie, iż ta dziwna
sytuacja nadal się utrzymuje”19.
Nietrudno się domyślić, że problem tkwi w określeniu, co tworzące teorię
kwantową równania i słowa mają naprawdę znaczyć. Od strony formalizmu
matematycznego teoria jest mocno abstrakcyjna i trudniej o jej konkretną
interpretację niż w przypadku innych teorii fizycznych. Wielu naukowców
podaje w wątpliwość nawet to, że teoria opisuje realny świat, sprowadzając ją
jedynie do użytecznego matematycznego opisu do przewidywania wyników
doświadczeń. Pokażę, że zaproponowano wiele interpretacji i odmian teorii.
Obecnie dyskusja obraca się wokół co najmniej trzech zagadnień: dualizmu
korpuskularno-falowego (rozdział 5), nielokalności (rozdział 9) i problemu
pomiaru (rozdział 10). Kilkadziesiąt lat temu na liście kontrowersyjnych
tematów byłaby jeszcze kwantowa losowość. Wielu naukowców, z Einsteinem
na czele, uważało, że nieokreśloność rozpadu promieniotwórczego pierwiastków
i innych zjawisk kwantowych jest tylko pozorna, że musi istnieć jakaś dotąd
nieodkryta teoria, nadrzędna wobec fizyki kwantowej, która pokaże, iż
przyszłość jest w pełni zdeterminowana przez teraźniejszość. Choć kilku
badaczy kontynuuje poszukiwanie takiego deterministycznego objaśnienia
natury, większość zaakceptowała przytłaczający materiał dowodowy
przemawiający za nieokreślonością (rozdział 6).
W odniesieniu do dualizmu korpuskularno-falowego zobaczycie, że sukcesy
kwantowej teorii pola – teorii łączącej fizykę kwantową z wyobrażeniami
Einsteina na temat czasu i przestrzeni, zawartymi w szczególnej teorii
względności – przekonały czołowych teoretyków kwantowych, w tym Stevena
Weinberga i Franka Wilczka, że Wszechświat raczej zbudowany jest z fal
rozchodzących się w polach, a nie cząstek poruszających się w pustej
przestrzeni. Taki kierunek wskazują obecnie naukowy konsensus i dowody
doświadczalne20.
Jeśli chodzi o nielokalność, to Albert Einstein i jego współpracownicy pierwsi
wskazywali w 1935 roku, że fizyka kwantowa przewiduje istnienie tego

fenomenu21. Jednak z punktu widzenia Einsteina nielokalność była tak
„upiorna”, że doszedł do wniosku, iż fizykę kwantową trzeba zastąpić jakąś
bardziej „kompletną” teorią, która nie będzie upiorna – nie będzie nielokalna. W
rozdziale 9 przekonacie się, że od 1970 roku eksperymenty pokazują, iż natura
naprawdę przejawia nielokalność przewidywaną przez fizykę kwantową, dzięki
czemu rośnie akceptacja kwantowej nielokalności, przybliżając osiągnięcie
konsensusu w tej sprawie22.
Problem pomiaru, zwany inaczej „paradoksem kota Schrödingera”, pozostaje
główną kwestią dyskusyjną, w moim przekonaniu jedynym znaczącym
nierozstrzygniętym zagadnieniem leżącym u podstaw teorii kwantowej.
Niektórzy eksperci uważają, że nie jest on rozwiązany, inni twierdzą, że jest
rozwiązany, jeszcze inni widzą w nim pseudoproblem, który w ogóle nie
wymaga rozwiązywania. Większość zgadza się, że fizycy naprawdę muszą w tej
sprawie dojść do porozumienia. Zmierzymy się z nim rozdziale 10, gdzie
prezentuję nowe argumenty na poparcie rozwiązania po raz pierwszy
zaproponowanego w 1968 roku przez Josefa Jaucha i rozwiniętego później przez
innych. Postęp, jaki dokonał się od lat sześćdziesiątych XX wieku, zwłaszcza w
zakresie pogłębienia rozumienia nielokalnego zjawiska zwanego „splątaniem”
(rozdział 9), rzuca nowe światło na prawdziwe znaczenie paradoksu kota
Schrödingera.
***
Fizyka kwantowa opowiada głównie o tym, czego nie możemy zobaczyć. Jej
podstawowe zasady są zadziwiające, delikatnie mówiąc, a licząca 115 lat historia
teorii kwantowej to niekończące się pasmo naukowych sporów o fundamentalne
pojęcia. Nie jest więc niczym zaskakującym, że rozzuchwaliły się demony
zainspirowanej fizyką kwantową pseudonauki – wprowadzającej w błąd
karykatury procesu naukowego, prezentowanej w taki sposób, że wygląda na
naukową, ale brak jej wspierających dowodów i racjonalnej wiarygodności. W
świecie, w którym palącą potrzebą jest pogłębianie rozumienia nauki,
pseudonauka jest akurat tym, czego nam najmniej trzeba.
Przyjrzyjmy się kilku przykładom. Popularny film z 2004 roku What the Bleep
Do We Know? zarobił 10 milionów dolarów i otrzymał kilka nagród filmowych.
Narracja zbudowana jest w nim wokół tezy, iż to my sami kreujemy naszą
własną rzeczywistość za pośrednictwem świadomości i fizyki kwantowej. W
filmie pokazano, jak rzekomo myślami można zmienić strukturę kryształu.

Zawiera on też „ukierunkowywany” przez medium wywiad z duszą liczącą 35
000 lat i wypowiedzi fizyków, którzy wygłaszają takie zdania: „Otaczający nas
świat materialny to nic innego jak tylko możliwe zmiany świadomości”23.
Popularna postać telewizyjna, lekarz Deepak Chopra, informuje nas, że
kwantowa kuracja może wyleczyć z chorób dzięki zastosowaniu mocy umysłu24.
Książka Chopry Życie bez starości: młode ciało, ponadczasowy umysł królowała
na liście bestsellerów „New York Timesa” i sprzedała się na świecie w nakładzie
przekraczającym dwa miliony sztuk.
Jedna z wielu interpretacji fizyki kwantowej, proponowana przez fizyków
szukających sposobu na obejście problemu pomiaru, polega na przypisaniu
ludzkiej świadomości zdolności do objaśniania, w jaki sposób stan kwantowy
może ostatecznie przejść „kolaps” (rozdziały 9 i 10). Nie ma jednak dowodu na
to, że ludzka świadomość odgrywa w tym procesie choćby najmniejszą rolę.
Pomysł, że może ona kontrolować zewnętrzne wobec niej zjawiska fizyczne, jest
wyciągnięty z tego samego kapelusza co twierdzenia samozwańczego medium,
Uriego Gellera, iż samą siłą woli potrafi zginać metalowe łyżki. Natychmiast
nasuwa się pytanie, jak zachodzi kolaps stanów kwantowych wszędzie tam we
Wszechświecie, gdzie nie ma ludzi, albo jak mogło do niego dochodzić, zanim
pojawił się człowiek. Można też zagłębić się w rozważania, czy do kolapsu stanu
kwantowego mogą doprowadzić niemowlęta lub inteligentne małpy. Przez jakiś
czas pogląd ten wspierali Eugene Wigner, znakomity fizyk, który powinien
lepiej się orientować, oraz wielki matematyk i analityk podstaw fizyki
kwantowej John von Neumann. Wigner porzucił to podejście w 1970 roku,
dziesięć lat po jego przyjęciu25. Tak czy inaczej, zdyskredytowana wizja
„świadomościowa” fizyki kwantowej stale powraca. Opublikowany w 2006 roku
podręcznik, wykorzystywany na kursach fizyki dla studentów nauk
humanistycznych na Uniwersytecie Kalifornijskim, nosi tytuł: Quantum
Enigma: Physics Encounters Consciousness (Kwantowa zagadka: Fizyka
spotyka świadomość) Autor podręcznika nadal posługuje się przestarzałymi
poglądami Wignera jako dowodem na interpretację świadomościową fizyki
kwantowej, mimo że Wigner dawno go odrzucił26. Choć racjonalny umysł
powinien z miejsca odrzucić to podejście, w rozdziale 10 opiszę eksperyment,
który sprawia kłopot, gdy myślimy o bezpośrednim i przekonującym
rozprawieniu się z interpretacją świadomościową.
Inspirowana teorią kwantową pseudonauka stoi za najróżniejszymi
zdumiewającymi, lecz wątpliwymi twierdzeniami, od postrzegania
pozazmysłowego do medycyny alternatywnej27. To nie jest dobry czas dla nauki,
.

gdy pracownicy księgarń i bibliotek zastanawiają się, czy konkretną książkę
postawić na półce w dziale z etykietą new age, religia czy fizyka kwantowa.
Kwanty dla każdego kreślą optymistyczne perspektywy – ogólna struktura
teorii kwantowej ma się bardzo dobrze w takiej formie, w jakiej jest obecnie, a
pozorne paradoksy zostały już rozwiązane albo są rozwiązywalne w ramach tej
struktury. Z pewnością powinniśmy odrzucić pseudonaukowe wypaczenia. Co
więcej, nie ma potrzeby, aby wprowadzać jakiekolwiek korekty u podstaw lub
obmyślać ekscentryczne interpretacje. Najbardziej fundamentalna teoria
naukowa jest w lepszym stanie, niż jej krytycy sobie wyobrażają.
4 Możliwe jest jednak przekształcenie jednego fotonu w dwa. Ten trudny proces, nazywany podziałem
częstości, w istocie nie dzieli fotonu, lecz wykorzystuje jego energię do wytworzenia nowej pary fotonów.
Co więcej, utworzona para cząstek jest „splątana” – co znaczy, że pod wieloma względami pozostają one
jednym obiektem, „atomem światła”.
5 Jak przekonamy się w trakcie lektury rozdziału 8, treść tego akapitu jest nieco przesadnie uproszczona.
Docierając do szyby, pojedynczy foton nie „podejmuje decyzji”, czy odbić się, czy przejść na drugą stronę.
Zamiast tego jednocześnie porusza się po obu trajektoriach. To dziwaczne zachowanie (według standardów
naszego makroskopowego świata) jest nazywane superpozycją dwóch „stanów” (stanu, w którym foton
odbija się od szyby, oraz stanu, w którym przechodzi przez szybę). Decyzja o tym, którą trajektorią on
podąży, podejmowana jest dopiero w chwili, gdy zostanie zarejestrowany albo przez Alicję, albo przez
Boba. Mówi się, że w chwili zarejestrowania foton „przechodzi kolaps” albo „wykonuje przeskok
kwantowy”.
6 Choć ilustracja tego nie pokazuje, po dotarciu do płytki półprzepuszczalnej numer 1 tor 2 ulega
drobnemu odchyleniu. Po przejściu przez płytkę jest dokładnie równoległy względem poprzedniej
trajektorii, ale lekko przesunięty w dół.
7 Tak naprawdę nie da się zobaczyć pojedynczego fotonu – aby nasze oko zarejestrowało światło, musi
trafić do niego kilka niezbyt odległych od siebie fotonów.
8 W obecności płytki półprzepuszczalnej nr 2, kiedy długość toru 1 i toru 2 jest jednakowa, w wielu
próbach eksperymentalnych na obu detektorach pojawia się wzór interferencyjny. Potwierdza to, że każdy
foton interferował sam ze sobą, a skoro tak, musiał zebrać informację z obu trajektorii. Tak więc każdy
foton przechodzi przez płytkę półprzepuszczalną nr 1, poruszając się po obu torach. Co więcej, zachowanie
to nie zależy od tego, czy płytka półprzepuszczalna nr 2 jest wykorzystywana, czy nie, ponieważ foton
oddziałuje z płytką nr 2 tylko w sytuacji, gdy już przeszedł przez płytkę nr 1.
9 Jedynymi rozważanymi w tej książce rodzajami superpozycji są superpozycja położenia i superpozycja
prędkości. Są jeszcze inne rodzaje superpozycji: superpozycja spinu, polaryzacji i innych własności
kwantowych.
10 en.wikiquote.org/wiki/Werner_Heisenberg: „Werner Heisenberg”, Wikiquotes, 20 lutego 2016 r.
11 Masywniejsze ciała, takie jak piłki baseballowe, mają zasadniczo krótsze długości fal, zatem
superpozycja znacząco różnych położeń obejmowałaby odległości wiele razy przewyższające długość fali.
Trudno byłoby na takich dystansach utrzymać „koherencję fazy” (tzn. zachować pojedynczy, spójny stan
kwantowy).

12 Dodatkowo, oprócz tych „stanów energetycznych”, możliwe są inne stany. Każdy z tych innych
stanów jest konkretną „superpozycją” (albo złożeniem) stanów energetycznych.
13 Potrzebny jest bardzo gorący pojemnik z atomami, ponieważ atomy wodoru z łatwością łączą się w
dwuatomowe cząsteczki, których widmo różni się od widma wodoru atomowego. Wysoka temperatura
zapobiega powstawaniu wiązań między atomami wodoru.
14 Szklana powierzchnia świetlówki nie jest gorąca, ponieważ znajdujący się w środku gaz ma tak niską
gęstość, że nie może przekazać szkłu znacznych ilości ciepła. Temperatura gazu jest jednak dość wysoka.
15 G. Gerald Gabrielse, The Standard Model’s Greatest Triumph, „Physics Today” 2013, nr 66, s. 64–65.
Cytowana liczba to w istocie |g|/2 – 1, gdzie g symbolizuje „czynnik g”.
16
https://en.wikipedia.org/wiki/Archeoastronomy_and_Stonehenge:
Stonehenge”, Wikipedia, 27 maja 2016 r.
17
Ian
P.
Bindloss,
Contributions
of
www.physics.ucla.edu/~ianb/history/, 13 stycznia 2012 r.

Physics

to

„Archeoastronomy
the

Information

and
Age,

18 Max Tegmark i John Wheeler, 100 Years of Quantum Mysteries, „Scientific American” 2001, nr 299,
s. 68–75.
19 Maximilian Schlosshauer, Johannes Kofler i Anton Zeilinger, A Snapshot of Foundational Attitudes
Toward Quantum Mechanics, „Studies in History and Philosophy of Modern Physics” 2013, nr 44, s. 222–
230.
20 Art Hobson, There Are No Particles, There Are Only Fields, „American Journal of Physics” 2013, nr
81, s. 211–223.
21 Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical
Reality Be Considered Complete?, „Physical Review” 1935, t. 47, s. 777–780.
22 Alain Aspect, Bell’s Inequality Test: More Ideal Than Ever, „Nature” 1999, nr 398, s. 189–190.
23 Cytowane w: Michael Shermer, Quantum Quackery, „Scientific American” 2005, nr 292, s. 34.
24 Deepak Chopra, Zdrowie bez granic: leczenie ducha i ciała na poziomie kwantowym, przeł. Paweł J.
Listwan, „Medium”, Warszawa 2000.
25 Maximilian Schlosshauer, Decoherence and the Quantum-to-Classical Transition, Springer Verlag,
Berlin 2007, s. 364–365.
26 Ibid.
27 Victor Stenger, Quantum Quackery, „Skeptical Inquirer” 21.1, styczeń–luty (1997), s. 37–42. Rzuca
się w oczy, że – przez czysty przypadek – artykuł nosi ten sam tytuł co wymieniona wcześniej publikacja
Michaela Shermera.
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

CZĘŚĆ I

WSZECHŚWIAT JEST ZBUDOWANY
Z KWANTÓW
===bVs5AWcDNAE3VWxVYlpqDmoIPAs9WWhZaF1kAjEAYVk=

ROZDZIAŁ 2

O czym mówi fizyka kwantowa?
Niniejszy rozdział opisuje ogólną naturę fizyki kwantowej, często określanej jako
nauka o materii i energii w najmniejszych skalach. Chociaż przeważnie dotyczy
ona zjawisk na poziomie molekularnym, atomowym i subatomowym, taka
oparta na skali definicja jest przesadnym uproszczeniem, ponieważ kwanty nie
muszą być małe. Prawdę mówiąc, mogą być równie duże jak Ziemia (rozdział
5), a dwa lub więcej kwantów „splątanych” (rozdział 9) można traktować jak
jeden kwant złożony, którego części pozostają ze sobą ściśle połączone i zdolne
wywierać na siebie natychmiastowy wpływ, nawet jeśli pozostają w różnych
galaktykach. Ta książka rozpocznie się zatem następującą definicją: O ile wiemy,
wszystko we Wszechświecie bez wyjątku zbudowane jest z kwantów. Fizyka
kwantowa to nauka mówiąca o naturze i zachowaniu tych fundamentalnych
składników Wszechświata.
Czym zatem jest kwant? To nie jest łatwe pytanie. Kwanty są trudno uchwytne,
sprzeczne z intuicją i nie do końca zrozumiane. Niemniej rozumiemy ten
problem lepiej, niż było to w 1951 roku, gdy Albert Einstein pisał do kolegi:
„Pięćdziesiąt lat rozmyślań nie przybliżyło mnie do odpowiedzi na pytanie
»Czym są kwanty światła?«. Dzisiaj każdy Tom, Dick czy Harry myśli, że to
wie, ale jest w błędzie”28.
Jako autor przełomowej pracy z 1905 roku, w której po raz pierwszy
rozważano ideę kwantu, Einstein wiedział, o czym mówi. Jego artykuł dotyczył
prostego zjawiska zwanego efektem fotoelektrycznym, w którym padające na
powierzchnię metalu światło wybija z niej elektrony. Założywszy, że światło
zbudowane jest z małych pakietów czy też „cząstek”, Einstein wyjaśnił
ilościowe aspekty tego zjawiska. Pierwsze matematyczne sugestie dotyczące
kwantów pochodzą od Maxa Plancka, który sformułował je w 1900 roku, ale

artykuł Einsteina był pierwszym, który prezentował kwant jako obiekt fizyczny.
Kiedy w 1921 roku przyznano temu drugiemu Nagrodę Nobla, w uzasadnieniu
powołano się raczej na opublikowany w 1905 roku artykuł niż na jego bardziej
znaczącą szczególną teorię względności (1905) i ogólną teorię względności
(1915). W 1921 roku oczywiste było, że Einstein zasłużył na Nagrodę Nobla, ale
jego praca nad teorią względności nadal wzbudzała kontrowersje, toteż Komitet
Noblowski postanowił przyznać mu nagrodę za powszechnie akceptowaną pracę
na temat efektu fotoelektrycznego. Einstein pozostał związany z fizyką
kwantową przez całe życie, głównie jako jej zaprzysięgły, inteligentny krytyk,
którego komentarze w kwestiach problematycznych bywały bezcenne29.
Kwant wywodzi się od angielskiego słowa quantum, którego źródłem jest
quantity, czyli ilość. Robocza definicja kwantu określa go jako wysoce
ujednoliconą, rozciągłą przestrzennie, określoną ilość energii pola. Celem
niniejszej książki jest wyjaśnienie tych sformułowań i doprecyzowanie
wynikających z nich konsekwencji. Fotony, elektrony, protony, atomy i
cząsteczki – to wszystko przykłady kwantów. Pomyślcie o kwancie jako o
pakiecie energii. Jednak termin pakiet wydaje się mylący, ponieważ pojedynczy
kwant może być cienko rozprowadzony na przestrzeni wielu kilometrów, a
nawet składać się z oddalonych od siebie na kosmiczne odległości subtelnie
połączonych fragmentów – niczym dwa placki na patelni połączone cienką
niteczką ciasta. Kwanty są „cyfrowe”, w tym sensie, że nawet jeżeli mają
szerokość wielu kilometrów, to albo istnieją w całości, albo w ogóle. Nie można
mieć fragmentu kwantu, nie da się też stopniowo go budować ani stopniowo
niszczyć30. Kwant zawsze pojawia się albo znika, albo zmienia swoją
konfigurację wszędzie i natychmiast. Kiedy włączamy światło, każdy rozciągły
przestrzennie kwant światła (każdy foton) zaczyna istnieć natychmiast, a kiedy
światło znika, każdy kwant przestaje istnieć natychmiast i całkowicie, mimo że
rozmiar fotonu może sięgać kilometrów. Co więcej, zdarza się, że kwanty
dokonują natychmiastowego31 przeskoku z jednej konfiguracji w zupełnie inną.
Ta cecha kwantów: wszystko albo nic, w dużej mierze składa się na ich godną
uwagi dziwaczność32.
Fizyka kwantowa odpowiada na pytanie: „Czym są kwanty i jak się
zachowują?”. Pierwsza część tego pytania została omówiona w rozdziałach od 2
do 5, natomiast druga w rozdziałach od 6 do 9. Rozdziały 10 i 11 poświęcono
przedstawieniu, w jaki sposób te sprzeczne z intuicją kwanty prowadzą do
naszego normalnego świata.

Wszechświat jest zbudowany z kwantów
Niektórzy mówią, że wszystko jest zbudowane z atomów, ale dzisiaj wiemy, że
to stwierdzenie dalekie jest od prawdy. Wiele obiektów – główki kapusty,
królowie, wasze stopy – składa się z atomów. „Atomy” są najmniejszymi
rozpoznawalnymi częściami blisko stu fundamentalnych „pierwiastków”
chemicznych, których wykaz być może widzieliście na tablicy wiszącej w
pracowni chemicznej. Na przykład wodór jest substancją gazową, której
najmniejszymi rozpoznawalnymi składnikami (tj. mającymi własności kojarzone
z wodorem) są atomy wodoru.
Niemniej istnieje wiele obiektów, które nie składają się z atomów. Na przykład
światło. Fale radiowe, podczerwień, ultrafiolet i wszelkie innego rodzaju
niewidzialne promieniowanie (nazwane tak, ponieważ jest emitowane na
zewnątrz, wzdłuż promienia, z centralnie położonego źródła), podobne do
światła, lecz niewidzialne, nie jest złożone z atomów. Wśród innych rzeczy,
które nie składają się z atomów, znajdują się prąd elektryczny, otaczające każdy
magnes pole magnetyczne czy pole grawitacyjne Ziemi. Protony, neutrony i
elektrony nie są zbudowane z atomów, aczkolwiek same stanowią ich budulec.
Wewnątrz każdego protonu i każdego neutronu znajdują się trzy kwarki, które
nie są zbudowane z atomów. Słynne bozony Higgsa, odkryte w 2012 roku w
Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie, nie są zbudowane z atomów33.
Biliony neutrin, które w ciągu tej sekundy przeniknęły przez wasze ciała, nie
czyniąc wam żadnej krzywdy (a z których część do tej pory, dwie sekundy
później, znajduje się już poza orbitą Księżyca, nawet jeśli musiały w tym celu
przeniknąć przez całą naszą planetę), nie są zbudowane z atomów34.
Pod względem ilościowym od któregokolwiek z tych obiektów ważniejsze są
niewidzialna ciemna materia i ciemna energia, zawierające 95 procent energii
Wszechświata. Mimo że niemal niewykrywalna, owa ciemna strefa znajduje się
wszędzie wokół nas i wypełnia sobą Wszechświat. O jej istnieniu
dowiedzieliśmy się zaledwie pod koniec ubiegłego wieku, aczkolwiek kilku
astronomów podejrzewało istnienie ciemnej materii już w latach trzydziestych
XX wieku. Wciąż nie wiemy, czym ona jest, choć niewykluczone, że coraz
bliżej nam do prawdy o ciemnej materii. Wiemy, że ani ciemna materia, ani
ciemna energia nie są zbudowane z atomów. Ponieważ prawdopodobnie
zbudowane są z kwantów i ponieważ zbudowana jest z nich większość
Wszechświata, poświęcimy im nieco uwagi.

Ale chwileczkę... 95 procent energii Wszechświata nie składa się z atomów i
jest wszędzie wokół nas, a my nie możemy jej zobaczyć? Skąd macie pewność,
że tego nie zmyślam? Takie dziwaczne stwierdzenie wymaga dowodów.
Powinniście zapytać (a jeśli to zrobiliście, uchylam kapelusza): – Cooo? A skąd
to wiemy? Jaki mamy dowód? – Naukowcy są urodzonymi sceptykami.
Chcąc o tym mówić, potrzebujemy pewnych nowych koncepcji. Określenie
materia odnosi się do substancji, która ma ciężar. Normalna materia (główki
kapusty, królowie, wasze stopy) jest zbudowana z atomów i cząsteczek. Atomy i
molekuły cechuje istotne podobieństwo do kapusty: możecie położyć je przed
sobą, a pozostaną w spoczynku, podlegając jedynie nieuniknionym losowym
drganiom kwantowym (rozdział 6). Doprecyzowuje to pojęcie związane z
ciężarem – mianowicie masa. Masa obiektu materialnego jest miarą siły
(pchnięcia), jaka jest potrzebna, żeby ciału w spoczynku nadać przyspieszenie
(rozpędzić je). Mierzona jest w kilogramach. Zatem nadanie 2-kilogramowemu
obiektowi przyspieszenia (o pewnej wartości) wymaga dwa razy większej siły
niż nadanie takiego samego przyspieszenia obiektowi o masie 1 kilograma.
Do rozpędzenia (o określoną wartość) obiektu o masie 2 kilogramów
potrzebna jest zatem dwa razy większa siła niż do rozpędzenia obiektu o masie 1
kilograma. Ta trudność w przyspieszaniu obiektów znana jest również jako ich
bezwładność. Co zaskakujące, światło i inne promieniowanie nie ma masy, nie
ma bezwładności. Przyspieszenie kwantu promieniowania, fotonu, jest
nieskończenie łatwe. Nie trzeba żadnej siły, żeby wprawić go w ruch. Wiemy o
tym, ponieważ każdy kiedykolwiek zaobserwowany foton poruszał się z
prędkością światła. Nigdy nie widzimy takiego, który rozpędzałby się od zera do
prędkości światła. Foton porusza się z prędkością światła w tej samej chwili, w
której powstaje, na przykład wskutek zapalenia żarówki35. Tak więc różnica
między materią a promieniowaniem polega na tym, że ta pierwsza ma masę, a to
drugie jej nie ma.
Najbardziej bezpośredni dowód na istnienie ciemnej materii pochodzi z
obserwacji galaktyk36. Galaktyki, w tym nasza Droga Mleczna, są ogromnymi
zbiorowiskami gwiazd, utrzymywanymi razem przez grawitację, zwykle
przyjmującymi kształt ziemniaka lub cienkiego naleśnika. W dostępnym
obserwacjom Wszechświecie znajdują się setki miliardów galaktyk, z których
każda zwykle zawiera setki miliardów gwiazd. Wczesne dowody na istnienie
ciemnej materii pojawiły się w latach trzydziestych XX wieku w efekcie badań
nad gromadami galaktyk, formacjami związanymi siłami przyciągania
grawitacyjnego. Niektóre gromady były związane silniej, niż dało się to

wyjaśnić, szacując przyciąganie grawitacyjne całej zawartej w galaktykach
świecącej, widocznej materii. Astronomowie wysnuli hipotezę, że w utrzymaniu
gromad razem pomaga jakaś nowa, nieświecąca forma materii.
Hipoteza niewidzialnej materii wydaje się radykalna, lecz alternatywa jest
jeszcze odważniejsza. Gdyby nie było żadnej nowej, nieświecącej postaci
materii, to należałoby uznać, że nie tylko newtonowskie prawo powszechnego
ciążenia, ale również powszechnie akceptowana ogólna teoria względności
Einsteina są błędne. To ważna lekcja o procesie naukowym: naukowcy nie
wymyślają dziwnych idei dlatego, że mają taki kaprys czy chcą być radykalni
zgodnie z modą. Idee te wymuszają na nich zaobserwowane fakty, ponieważ
alternatywa byłaby jeszcze bardziej radykalna.
W latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku astronom Vera Rubin
udoskonaliła ten dowód, badając indywidualne galaktyki. Galaktyki w kształcie
dysku wirują wokół swojego środka niczym gigantyczne płyty gramofonowe, a
tym, co je spaja w całość, jest panujące między gwiazdami przyciąganie
grawitacyjne. Rubin odkryła, że niektóre galaktyki wirują tak szybko, iż
gwiazdy powinny wpaść w poślizg na swoich z grubsza kołowych orbitach
wokół centrum galaktyki, podobnie jak samochód, który może wypaść z drogi,
gdy pokonuje szczególnie ciasny zakręt. Zatem oprócz grawitacji widocznych w
galaktyce gwiazd musi być coś, co utrzymuje je na swoich orbitach. I znowu
najlepszą odpowiedzią wydaje się nieświecąca materia37.
***
Najlepszego dowodu na istnienie ciemnej energii dostarczyły obserwacje
ekspansji Wszechświata. Cały czas, przez 13,8 miliarda lat, jakie upłynęły od
Wielkiego Wybuchu, wszystko nieustannie porusza się na zewnątrz. Galaktyki
uciekają, oddalając się (po uśrednieniu) od siebie nawzajem, od naszej Galaktyki
i od każdej innej we Wszechświecie38. Ekspansja Wszechświata została
potwierdzona licznymi obserwacjami, w których dokonywano pomiaru
odległości galaktyk oraz prędkości, z jaką się oddalają. W tej książce nie ma
miejsca na opisywanie wszystkich fantastycznych sposobów, jakich chwytają się
astronomowie, żeby zmierzyć takie zjawiska, jeśli więc jesteście zainteresowani,
zajrzyjcie do dowolnego podręcznika astronomii.
W latach osiemdziesiątych XX wieku dwa zespoły astronomów zastosowały
nowy sposób pomiaru prędkości ekspansji i odległości dalekich galaktyk, oparty
na blasku wybuchających w tych galaktykach gwiazd, tak zwanych

supernowych. Pojawiająca się w typowej galaktyce ledwie raz na kilkadziesiąt
lat każda supernowa na kilka dni lub tygodni po swoim wybuchu przyćmiewa
blaskiem całą galaktykę i widoczna jest zasadniczo w całym znanym
Wszechświecie. Astronomowie wyznaczyli odległości i prędkości ucieczki
supernowych, a na tej podstawie także zawierających je, niezwykle oddalonych
od nas galaktyk. Wszystko, co znajduje się bardzo daleko stąd, wygląda tak, jak
wyglądało dawno temu, ponieważ światło potrzebuje dużo czasu, żeby do nas
stamtąd dotrzeć. Na przykład widzimy Słońce takie, jakie było osiem minut
temu, ponieważ tyle czasu trwała podróż światła ze Słońca na Ziemię. Równie
dobrze nasza gwiazda mogła wybuchnąć siedem minut temu. Tak więc oglądając
dostatecznie odległą supernową, której światło potrzebowało na przybycie do
nas, dajmy na to, 12 miliardów lat, widzimy ją w takim stanie, w jakim była
zaledwie 2 miliardy lat po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był jeszcze
młody. Wszechświat jest swego rodzaju jednokierunkowym wehikułem czasu:
zawsze zaglądamy w przeszłość.
Dokonane przez oba zespoły pomiary supernowych przyniosły wstrząsający
wynik. Wszechświat nie tylko cały czas, od 13,8 miliarda lat się rozszerza, ale
też obecnie jego ekspansja przyspiesza! Od 1929 roku wszyscy wiedzieli, że
Wielki Wybuch spowodował ekspansję Wszechświata. Wszyscy „wiedzieli”
również, że ta ekspansja musi zwalniać tempo, z tego samego powodu, dla
którego rzucony w górę kamień musi wytracać swoją prędkość w miarę
wznoszenia, hamowany przez ciągnącą go w dół siłę grawitacji. Jak się zdawało,
jedyne pytanie brzmi zatem: jak szybki jest spadek tempa ekspansji? Lecz
działalność naukowa jest ryzykowna. Nowe obserwacje mogą wrzucić kamyk w
tryby starych teorii. Pojawił się nowy fakt. Ekspansja przyspiesza.
Była to prawdziwa rewolucja. Pamiętam, jak w 1998 roku czytałem
doniesienia na ten temat w magazynie „Science”. Mimo że już wcześniej
pojawiły się sygnały sugerujące taki wynik, byłem zaskoczony, podobnie jak
cały naukowy świat. Jak to możliwe, by Wszechświat przyspieszał, skoro
wydaje się, że nic go nie popycha?
Naukowcy jednak natychmiast bardzo poważnie potraktowali doniesienia o
przyspieszającym Wszechświecie, ponieważ były one poparte realnym
dowodem. Przyspieszenie zostało zmierzone przez dwa pracujące niezależnie od
siebie, doświadczone zespoły, które przez kilka lat prowadziły skrupulatne
pomiary. Wiadomość o nowym wyniku szybko rozprzestrzeniła się w całej
społeczności naukowej, stając się dla magazynu „Science” artykułem roku. W
ciągu dwóch lat astronomowie przyjęli ten nowy fakt do wiadomości i go

zaakceptowali39.
Wynika z tego pewien morał. Ponieważ konkluzje naukowe mogą być
niewygodne dla czyichś starannie pielęgnowanych przekonań, w USA część
społeczeństwa odnosi się do nauki sceptycznie. Niektórzy sceptycy podpierają
swoje argumenty stwierdzeniem, że to raczej naukowcy, a nie ci, którzy uczepili
się swoich nienaukowych przekonań, są niereformowalni i niechętni zmianom w
obliczu nowych faktów. Na przykład „kreacjoniści” przekonali samych siebie, że
teoria ewolucji przetrwała tylko dlatego, iż biolodzy nie mogą znieść myśli o
zmianie swoich hołubionych od 150 lat idei. Tymczasem uczeni akceptują
ewolucję, ponieważ wciąż istnieje przytłaczająca liczba dowodów na jej korzyść
i ani jednego dowodu przeciw niej. To prawda, były przypadki, gdy naukowcy
wykazali irracjonalną opieszałość w przyjmowaniu nowych dowodów40, jednak
historia przyspieszającego Wszechświata pokazuje, że nauka może bardzo
szybko pogodzić się z nowymi teoriami, jeżeli wspierają je silne dowody. Proces
naukowy nie działa doskonale, ale działa41.
Wszechświat, którego tempo ekspansji zwalnia, wymaga początkowego
wybuchu energii, Wielkiego Wybuchu, który wprawi go w ruch i pchnie na
zewnątrz. Natomiast kiedy jest już w ruchu, może kontynuować ekspansję bez
dalszego popychania, z tego samego powodu, dla którego raz uderzona przez
pałkarza piłka kontynuuje lot na pole zewnętrzne, choć pałkarz przestał ją
uderzać42. Skoro zaś Wszechświat, zamiast zwalniać, przyspiesza, to dobrze
ugruntowana fizyka mówi, że coś musi go popychać. Chociaż nie wiemy, co to
takiego jest, nadaliśmy temu nazwę: ciemna energia43.
Obydwie, ciemna materia i ciemna energia, są zakodowane w docierającym do
nas z Wielkiego Wybuchu wysokoenergetycznym promieniowaniu. Bardzo
niewiele tego promieniowania uległo absorpcji, wobec czego wciąż wypełnia
ono Wszechświat. Gdzie indziej miałoby się podziać? Promieniowanie to wciąż
znajduje się wokół nas, aczkolwiek dzisiaj jest rozciągnięte (z powodu ekspansji
Wszechświata) w charakteryzujące się dużą długością fali promieniowanie
mikrofalowe, podobne do tego, którego używacie w kuchence do podgrzewania
posiłków, choć jest znacznie mniej intensywne. Posługując się wyrafinowanymi
detektorami na pokładzie krążących na orbicie satelitów, astronomowie
zarejestrowali natężenie tego promieniowania w różnych kierunkach oraz dla
całego zakresu mikrofalowego widma. Fale te niosą informacje o występujących
w różnych kierunkach gorących i zimnych plamach, informacje świadczące o
tym, że podczas Wielkiego Wybuchu Wszechświat był rozciągany i ściskany w
takim zakresie, że jedyne wyjaśnienie musi zakładać, iż na jego energię w 68

procentach składa się ciemna energia, w 27 procentach ciemna materia, a jedynie
w 5 procentach zwykła materia – liczby, które dzisiaj są powszechnie
akceptowane44. Koniec końców, okazuje się, że normalna materia wcale nie jest
taka normalna!
Tak więc tytuł podrozdziału „Wszechświat jest zbudowany z kwantów”
okazuje się zdecydowanie bardziej trafny niż „Wszechświat jest zbudowany z
atomów”, ale wymaga dwóch zastrzeżeń. Po pierwsze, istnieje duże
prawdopodobieństwo, że ciemna energia jest tak zwaną próżnią kwantową. Jak
przekonamy się w rozdziale 5, chociaż próżnia kwantowa stanowi zasadniczą
część fizyki kwantowej i chociaż zawiera energię, nie można o niej powiedzieć,
że jest „zbudowana z kwantów”. Wprost przeciwnie: to kwanty są zmarszczkami
wypełniającego Wszechświat pola próżni kwantowej. Po drugie, możliwe, że w
celu wyjaśnienia ciemnej materii i ciemnej energii trzeba będzie zmodyfikować
fizykę kwantową. Pogląd, że ciemna materia i ciemna energia wpasowują się w
kwantowy format, jest na razie całkiem teoretyczny: skoro wszystko inne
podlega fizyce kwantowej, dlaczego nie miałyby jej podlegać również ciemna
materia i ciemna energia? Stawiam na to, że fizyka kwantowa sprosta temu
wyzwaniu, jednak, jak ujął to filozof i łapacz drużyny New York Yankees Yogi
Berra, „trudno jest przewidywać, zwłaszcza przyszłość”. Ostatecznie większość
z nas sądziła (ja również), że ekspansja Wszechświata zwalnia.

Na tropie kwantu: doświadczenie z dwiema szczelinami
Kwant jest prosty, lecz wyrafinowany. Wspomniałem
kilka przykładów kwantów: fotony, elektrony, atomy,
cząsteczki i bozony Higgsa. Ale czym one są? Czy są po
prostu małymi cząstkami, czymś w rodzaju maciupeńkich
groszków albo drobinek kurzu, tylko mniejszych?
Odpowiedź jest prosta: nie. Cząstka to popularna, lecz
kiepska nazwa dla tych obiektów, wobec tego spróbuję
jej unikać. Mimo częstego używania słowa cząstka
większość fizyków doskonale zdaje sobie z tego sprawę.
Kwanty w niczym nie przypominają maleńkich groszków

ani drobinek pyłu. Czasem zachowują się jak cząstki, ale
częściej tego nie robią.
Dobry przykład stanowi światło. Jest wszędzie wokół nas, ale trudno
powiedzieć, co to jest. Platon sądził, że nasze oczy emitują niewidzialne
promienie, wędrujące ku obiektom, które widzimy45. Isaac Newton uważał, że
oświetlone obiekty wysyłają strumienie cząstek, które wpadają do naszych
oczu46, podczas gdy współczesny Newtonowi Christian Huygens sądził, że do
naszych oczu wpadają wysyłane przez oświetlone obiekty fale. Natura światła
jest jednym z najstarszych problemów naukowych, poszukiwanie jego
rozwiązania prowadzi do dwóch filarów współczesnej fizyki – mianowicie teorii
względności Einsteina i fizyki kwantowej47.
Huygens miał rację: światło jest falą. Platon się mylił. Newton częściowo miał
rację: fale światła rzeczywiście składają się z małych kwantów, zwanych
fotonami. Jednak fotony nie są podobnymi do maleńkich pocisków, małymi
izolowanymi cząstkami, które miał na myśli Newton. Kwanty są bardziej
wyrafinowane. Powoli, krok po kroku, zbliżamy się do nich. Tutaj skupię się
głównie na falowym aspekcie światła, szczegóły kwantowe zachowując do
rozdziału 5.
***
Oto opowieść o tym, skąd wiemy, że światło jest falą.
Ilustracja 2.1 to fotografia przedstawiająca widok z góry na powierzchnię
wody w tak zwanej kuwecie drgań. Zdjęcie ukazuje drobne fale wodne
oświetlone z boku w taki sposób, że ich grzbiety wydają się jasne, a doliny
ciemne. Po lewej długie silne fale napotykają przeszkodę z dwoma małymi
otworami. Fale przechodzą przez otwory i pojawiają się po prawej stronie
przeszkody.

Ilustracja 2.1 Interferencja fal na powierzchni wody, widok z góry na kuwetę drgań z falami
przechodzącymi przez dwa otwory Warte odnotowania są dwa zjawiska, kluczowe dla fizyki
kwantowej i charakterystyczne dla wszystkich fal. Po pierwsze, fale po przejściu przez otwory
uginają się na krawędziach otworów, rozpościerając się w coś na kształt obszaru cienia, obecnego
powyżej i poniżej każdej szczeliny. Owo ugięcie, zwane dyfrakcją, okazuje się wyraźniejsze w
przypadku węższych otworów.

Po drugie, fale z dwóch otworów nakładają się na siebie, podlegając po drugiej
stronie przeszkody interferencji. Oznacza to, że dwa zestawy zmarszczek w
pewnych miejscach dodają się, tworząc większe zmarszczki, a w innych znoszą
się wzajemnie, w ogóle nie dając zmarszczek. Jak widzicie, miejsca, w których
zmarszczki wzajemnie się znoszą, formują rozbiegające się od obszaru z
otworami proste linie płaskiej wody, a te, w których zmarszczki się dodają,
tworzą identycznie rozbiegające się z centrum linie dużych fal.
Oto dlaczego tak się dzieje. Każdy otwór, działając niezależnie, wysyła zbiór
półkolistych fal. Rozchodzące się z otworów zmarszczki bez przeszkód
przenikają się wzajemnie (czy też przechodzą jedna po drugiej), wskutek czego
tam, gdzie spotykają się ich grzbiety, woda wznosi się dwukrotnie wyżej, tam,
gdzie spotykają się ich doliny – opada dwukrotnie niżej, a tam, gdzie dolina
spotyka się z grzbietem – jednocześnie wznosi się i opada, jej wychylenie netto
jest więc zerowe (ani się nie wznosi, ani nie opada). Zjawisko to, w którym dwa
zbiory fal naprzemiennie wzmacniają się lub znoszą, nosi nazwę interferencji fal
lub, po prostu, interferencji. Ponieważ interferencja nie może zajść bez dwóch

lub więcej zbiorów fal, jej obecność jest gwarantowanym dowodem na
jednoczesną obecność na powierzchni wody co najmniej dwóch zestawów fal.
Okazuje się, że interferencja to kluczowe zjawisko kwantowe. Odgrywa również
zasadniczą rolę w demonstracji falowej natury światła.

Ilustracja 2.2 Doświadczenie z dwiema szczelinami dla światła. Co zostanie zaobserwowane na
ekranie?

Jedno z najpiękniejszych doświadczeń fizycznych wszech czasów zostało po
raz pierwszy przeprowadzone w 1801 roku przez Thomasa Younga48, który
nawet sobie nie wyobrażał, w jak wielu postaciach jego eksperyment będzie
przewijać się na łamach tej książki. Young wykazał, że światło pochodzące z
dwóch źródeł ulega interferencji. Eksperyment został przedstawiony na ilustracji
2.2, która jednak, jak wyjaśniono w przypisie, została nieco uproszczona49.
Światło świeci przez dwie długie i wąskie szczeliny wycięte w nieprzezroczystej
przegrodzie. Po przejściu przez szczeliny pada na ekran.

Ilustracja 2.3 Wynik doświadczenia z dwiema szczelinami dla światła Ilustracja 2.3 ukazuje obraz,
jaki światło tworzy na ekranie. Zdjęcie powstało przez umieszczenie w miejscu ekranu błony
fotograficznej, jak pokazano na ilustracji 2.4. Widzimy wiele długich jasnych linii przeplatających
się z wieloma długimi ciemnymi liniami. W celu wyjaśnienia tych linii cofnijmy się do ilustracji
2.1 i wyobraźmy sobie obserwatora patrzącego tylko na odległy prawy kraniec kuwety drgań.
Obserwator widzi duże fale docierające do niektórych punktów krawędzi, przeplatane obszarami,
do których w ogóle żadna fala nie dochodzi. Wyobraźcie sobie ten eksperyment z kuwetą drgań
rozszerzony na trzy wymiary, wychodzący poza kartkę, tak że dwa otwory z ilustracji 2.1 stają się
dwiema szczelinami na ilustracji 2.4. Obraz interferencyjny dużych fal docierających do krawędzi
kuwety na przemian z obszarami, gdzie tych fal nie ma, jest analogiczny do ilustracji 2.3, przy
czym jasne linie są strefami, w których do ekranu docierają duże fale światła, a ciemne linie –
obszarami, do których nie docierają żadne fale.

Ilustracja 2.4 Doświadczenie z dwiema szczelinami dla światła: zestaw doświadczalny oraz wynik
Inaczej mówiąc, ilustracja 2.3 jest trójwymiarowym odpowiednikiem przedstawionej na ilustracji
2.1 dwuwymiarowej interferencji fal na powierzchni wody. Właśnie takiego obrazu na ekranie
możecie się spodziewać, gdy przez dwie szczeliny przejdą fale światła. Każda długa linia światła
na ilustracji 2.3 jest obszarem „interferencji konstruktywnej”, w którym grzbiety fal docierających
z jednej szczeliny spotykają się z grzbietami fal docierających z drugiej szczeliny, a doliny
spotykają się z dolinami. Każda ciemna linia jest obszarem „interferencji destruktywnej”, w
którym grzbiety fal z jednej szczeliny spotykają się z dolinami fal z drugiej szczeliny.

Przypomnijcie sobie, że zanim Young przeprowadził swój eksperyment,
Newton i Huygens mieli odmienne poglądy na to, czy światło zbudowane jest z
fal, czy z cząstek. Gdyby było ono strumieniem cząstek wylatujących ze źródła
na ilustracji 2.2, pewna liczba cząstek przeszłaby przez szczelinę numer 1 i
mniej więcej tyle samo przez szczelinę numer 2. Te, które pokonałyby szczelinę
numer 1, kontynuowałyby ruch naprzód i gromadziły się na ekranie
bezpośrednio za szczeliną numer 1, podczas gdy te, które przeszłyby przez
szczelinę numer 2, gromadziłyby się na ekranie za szczeliną numer 2. W efekcie
obserwowalibyśmy dwa długie jasne paski światła, z których każdy znajdowałby
się dokładnie za jedną ze szczelin. Niczego takiego nie dostrzegamy na ilustracji
2.3. Widzimy za to rozłożysty wzór interferencyjny – dowód na to, że światło

nie składa się z maleńkich cząstek, lecz z rozciągłych fal.
I stąd, mój przyjacielu, wiemy, że światło jest falą.
***
Nauka jest zależna od starannie przeprowadzonych obserwacji. Przyjrzyjmy się
więc ilustracji 2.1. Mimo że fale (grzbiety i doliny) poruszają się w prawo,
powierzchnia wody po prostu drga, wznosząc się w górę i opadając w dół.
Proszę, sprawdźcie to w wannie lub w innym naczyniu z wodą. Najpierw
pozwólcie, żeby pojedyncza kropla spadła na całkowicie nieruchomą taflę wody.
Koliste zmarszczki, które powstaną, będą dobrym przykładem fali. Teraz
umieśćcie na spokojnej wodzie mały korek albo inny obiekt i upuśćcie jedną
kroplę w jego pobliżu. Korek uniesie się w górę i w dół, pozostając w tym
samym miejscu, podczas gdy zmarszczka przejdzie pod nim. Ta demonstracja
dowodzi, że wraz z przejściem fali rozchodzącej się z miejsca uderzenia kropli
woda wykonuje tylko drgania w górę i w dół. Sama zaś nie rozchodzi się na
zewnątrz.
Czym więc jest fala na wodzie?
(Tu następuje przerwa na zastanowienie).
Oto pewna przyzwoita definicja: Fala na wodzie jest zaburzeniem – przemianą
zazwyczaj płaskiej powierzchni wody – które przemieszcza się w wodzie.
Zaburzenie to (w kształcie szeregu grzbietów i dolin) przemieszcza się po
powierzchni wody, ale sama woda pozostaje na miejscu, po prostu wykonując
drgania w górę i w dół.
Wszystkie fale, takie jak te wywołane na sznurze, „fala” na stadionie
sportowym, fale zagęszczeń wysyłanych wzdłuż sprężyny czy fale dźwiękowe,
zachowują się jak fale na wodzie. Każda z nich jest zaburzeniem rozchodzącym
się w pewnej substancji, która nie wędruje razem z nim. Substancję tę
nazywamy ośrodkiem, w którym rozchodzi się fala. Pamiętajcie, że ruch ośrodka
jest całkiem inny niż ruch fali. Fala przemieszcza się, a ośrodek jedynie drga,
pozostając w miejscu.
Zastanówcie się: Co jest ośrodkiem dla fali na sznurze? Fali na stadionie
sportowym? Na sprężynie? Fali dźwiękowej?
(Więcej czasu na zastanowienie).
Ponieważ nie ma zaburzenia bez czegoś, co można zaburzyć, każda z tych fal
musi mieć jakiś ośrodek. Dla fali na sznurze jest nim sam sznur. W przypadku
fali stadionowej to ciała kibiców, które „drgają” tylko raz, wstając, a potem

siadając. Dla fali w sprężynie ośrodek stanowią zwoje sprężyny; zauważcie, że
fala ta różni się nieco od pozostałych, ponieważ zamiast w górę i w dół,
prostopadle do kierunku jej ruchu, zwoje drgają w przód i w tył, zgodnie z
kierunkiem, w którym porusza się fala. Natomiast ośrodkiem dla fal
dźwiękowych jest powietrze. Chociaż możecie wiedzieć o tej własności fali
dźwiękowej z jakiegoś kursu fizyki, wcale nie wynika ona w sposób oczywisty z
obserwacji. Istnieje na to elegancki dowód, eksponowany przez wiele muzeów
nauki. Rozbrzmiewający głośno dzwon umieszczany jest w komorze, z której
stopniowo usuwane jest powietrze. Gdy powietrze rzednie, dźwięk cichnie, by w
końcu całkiem zaniknąć, mimo że wciąż widzimy serce dzwonu, które
energicznie, choć w całkowitej ciszy uderza w jego ścianki.
Co zatem pełni funkcję ośrodka dla fal świetlnych? Po doświadczeniu Younga
odbyło się wiele dyskusji na ten temat. Ośrodkiem nie może być powietrze,
ponieważ światło wędruje w kosmosie, na przykład ze Słońca na Ziemię, gdzie
nie ma powietrza.
Odpowiedź prowadzi nas do nowego rodzaju obiektów fizycznych,
kluczowych dla przeważającej części współczesnej fizyki: Wszechświat jest
wypełniony niewidocznymi, lecz całkiem realnymi bytami, zwanymi „polami”.
Rozdział 4 w całości poświęcony jest polom. Znajomym przykładem jest pole
magnetyczne, które wypełnia przestrzeń wokół każdego magnesu. Pole
magnetyczne istnieje w każdym miejscu, w którym po umieszczeniu innego
magnesu (lub dowolnego łatwo dającego się namagnesować materiału, na
przykład żelaza) odczuje on siłę, z jaką działa na niego pierwszy magnes. Innym
przykładem jest pole grawitacyjne Ziemi, które sprawia, że kamień lub inny
obiekt spada, kiedy go upuścimy. Pole grawitacyjne istnieje w wielu miejscach,
w tym również bardzo odległych od Ziemi, gdzie upuszczony kamień będzie
spadał w jej kierunku50. Nie możemy zobaczyć pola grawitacyjnego ani
magnetycznego, ale wiemy, że istnieją, za sprawą wpływu, jaki wywierają na
zamieszczone w nich obiekty. Fizycy myślą o polu jako o własności przestrzeni.
Na przykład przestrzeń w pobliżu powierzchni naszej planety ma co najmniej
dwie własności charakterystyczne dla pola: pole magnetyczne Ziemi (czego
dowodem jest działanie kompasu) oraz pole grawitacyjne Ziemi (czego
dowodem są spadające kamienie).
Jak przekonamy się w rozdziale 4, o polu magnetycznym najlepiej myśleć jako
o
składniku
bardziej
wszechstronnego
pola,
zwanego
polem
elektromagnetycznym. Pole elektromagnetyczne, jak wszystkie fundamentalne
pola, wypełnia cały Wszechświat. To powszechne pole elektromagnetyczne jest

ośrodkiem dla fal świetlnych. Światło jest zjawiskiem ze wszech miar
kwantowym, a pole elektromagnetyczne ściśle podlega zasadom fizyki
kwantowej. Dlatego światło jako znakomity przykład przewija się przez całą
książkę.
Najbardziej podstawowa zasada fizyki kwantowej mówi, że istnieje zaledwie
kilka fundamentalnych pól, z których każde wypełnia cały Wszechświat, i
wszystkie są skwantowane51. To dość poważne sformułowanie, z którym
zmierzymy się w rozdziałach 4 i 5. Dwa kluczowe pojęcia potrzebne fizyce
kwantowej to pola i kwanty. Skwantowane pola łączą obydwie te koncepcje. Na
tę chwilę skwantowane pole (albo pole kwantowe) to pole zbudowane z
niepodzielnych pakietów czy też kwantów, energii pola.
Tak więc Huygens miał rację. Jak pokazał to Young swoim doświadczeniem z
dwiema szczelinami, światło jest falą. Dowody przedstawione w rozdziale 4
świadczą o tym, że jest ono falą w polu elektromagnetycznym. Newton również
po części miał rację: ponieważ pole elektromagnetyczne jest skwantowane,
światło występuje w pakietach zwanych kwantami. Jednak, jak się zaraz
przekonamy, kwanty w niczym nie przypominają małych izolowanych,
podobnych do pocisku „cząstek”, które wyobrażał sobie Newton. Chociaż
czasem zachowują się jak cząstki, w żadnym razie nie są cząstkami.

Kwanty kontra małe cząstki
Przenieśmy się w czasoprzestrzeni do starożytnej Grecji, gdzie położono
fundamenty pod wiele doniosłych idei zachodniego świata. Jeden z Greków,
Demokryt z Abdery (460–370 p.n.e.), był urodzonym fizykiem, aczkolwiek w
owym czasie nie wynaleziono jeszcze ani tego słowa, ani tej dziedziny wiedzy.
Był również urodzonym filozofem, który to termin wciąż oznacza miłośnika
mądrości. Jego opowieść przedstawia, w najogólniejszym zarysie, początki
fizyki kwantowej. Wymyślił pierwszy na świecie „eksperyment myślowy”,
wyimaginowane doświadczenie, które jest proste w założeniu, lecz może okazać
się trudne w praktyce. Wyobraźcie sobie, że dzielicie kawałek złota na pół,
potem obydwie połówki znowu dzielicie na pół, tak powstałe połówki znowu
dzielicie na pół i tak dalej. Czy kontynuujecie ten proces w nieskończoność, czy
też w końcu da się dojść do punktu, w którym dalszy podział jest niemożliwy?
Czy materia jest podzielna bez ograniczeń, czy też zbudowana jest z

niepodzielnych części?
Pierwsza opcja wydawała się Demokrytowi niemożliwa. Gdyby kolejne
podziały trwały w nieskończoność, w końcu dotarlibyśmy do tak małych
kawałków złota, że aż niedostrzegalnych – innymi słowy, nieodróżnialnych od
nicości. Złoto stałoby się niezauważalne, co wydaje się absurdalne. Proces
podziału, myślał, musi zakończyć się na obiektach, które są niepodzielne.
Nazwał je a-tomos, co po grecku oznacza „niedający się podzielić” lub
„niemający części”.
Demokryt nie poprzestał na tej odrobinie intuicyjnego filozofowania, ale
poparł je dowodem zbudowanym na własnym doświadczeniu, co sprawia, że
jego praca jest nie tylko filozoficzna, ale też naukowa. Osobista filozofia, którą
wyznawał, zakładała, że wszystko, co się dzieje, spowodowane jest przez
materię i ruch materii, która to zasada znana jest jako filozofia materialistyczna
czy też materializm. Zatem dowód Demokryta przyjął postać przyczyny
materialnej. Rozważmy, zasugerował, piekący się w piecu bochenek chleba.
Nawet znajdując się w sporej odległości i nie widząc chleba, można wykryć
świeżo pieczony bochenek, kierując się jego zapachem. Dla Demokryta takie
zjawisko musi mieć fizyczną przyczynę, która zaczyna się wewnątrz chleba. W
procesie pieczenia niektóre a-tomos chleba muszą się z niego uwalniać i
dryfując w powietrzu, dostawać do ludzkich nosów. Chleb musi wydzielać atomos, które są charakterystyczne dla chleba, fiołki muszą uwalniać inne atomos, które nadają im unikatowy zapach, to samo dotyczy wszystkich
pachnących obiektów. Kiedy owe a-tomos dostaną się do naszego nosa,
powiedział Demokryt, sprawiają, że czujemy odpowiedni zapach. Nawet z
naszej dzisiejszej, uprzywilejowanej perspektywy brzmi to jak całkiem porządne
wyjaśnienie zapachu. Demokryt był prawdopodobnie pierwszym odnotowanym
myślicielem, który wspierał tego rodzaju teorie naukowe konkretnym dowodem
naukowym.
Dzisiaj używamy słowa atom w nieco inny sposób niż greckiego słowa atomos. Wbrew swojej greckiej nazwie współczesny atom w rzeczywistości
zbudowany jest z kilku części – mianowicie jądra i krążących po orbitach
elektronów. Istnieje około stu różnych rodzajów atomów, które znane są jako
pierwiastki chemiczne, na przykład wodór, hel, złoto czy uran. Wszystkie
wymienione są w układzie okresowym pierwiastków, zamieszczanym w
podręcznikach i wieszanym w salach lekcyjnych, i często oznaczane są za
pomocą standardowych skrótów, takich jak H dla wodoru, He dla helu, Au dla
złota (aurum to łacińska nazwa złota) czy U dla uranu. Tym, co odróżnia od

siebie pierwiastki, jest liczba protonów w jądrze, przy czym liczba elektronów
zwykle jest równa liczbie protonów. Na przykład wszystkie atomy wodoru mają
w jądrze 1 proton, wszystkie atomy helu – 2 protony, atomy złota 79 protonów, a
atomy uranu 92 protony. Każdy pierwiastek ma inne własności chemiczne,
ponieważ każdy ma inną liczbę elektronów, a to właśnie elektrony decydują o
własnościach chemicznych pierwiastków. Zapach jest własnością chemiczną,
jednak zbyt skomplikowaną, by dało się ją spreparować z pojedynczego atomu.
Większość zapachów to określone „związki chemiczne”, których najmniejsze
części, czy też molekuły, zbudowane są z kilkudziesięciu atomów wodoru, węgla
i tlenu52. Molekuły, zwane też cząsteczkami, są związkami dwóch lub więcej
atomów. Rodzaj molekuły zależy od wchodzących w jej skład pierwiastków i
liczby atomów każdego z nich. Zatem H O jest cząsteczką wody, zbudowaną z
dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu.
Pod pewnymi względami Demokryt miał rację. Zgodnie ze współczesną fizyką
kwantową jego wielka idea, że Wszechświat jest zbudowany z małych
kawałków, których nie da się w nieskończoność dzielić, jest poprawna. Jednak
dzisiejsze najmniejsze kawałki, zwane kwantami fundamentalnymi, nie
przypominają a-tomos w rozumieniu Demokryta. Wbrew temu, co sądził
Demokryt, a później Isaac Newton, nie są ani niezniszczalne, ani niezmienne.
Niemniej zachowały cechę, przy której obstawał Demokryt: fundamentalne
kwanty nie są zbudowane z dających się wyodrębnić części i zawsze działają jak
jedna jednostka.
Wydaje się, że elektrony, fotony i inne kwanty, takie jak sześć rodzajów
kwarków, kwalifikują się do roli podstawowych, niepodzielnych składników
Wszechświata. O ile wiemy, niemożliwe jest podzielenie elektronu, fotonu czy
kwarka. Trzeba jednak zauważyć, że każdy kwant można zniszczyć, a jego
energię wykorzystać do stworzenia jednego lub większej liczby innych
kwantów. Aczkolwiek te inne kwanty nie są częściami oryginalnego kwantu. Na
przykład foton może zniknąć, a w zamian powstanie para cząstek materialnych,
takich jak elektron i antyelektron, jednak zarówno elektron, jak i antyelektron są
czymś nowym, a nie częściami oryginalnego fotonu.
Wydaje się, że wszystko jest zbudowane z zaledwie kilku rodzajów
fundamentalnych kwantów. Na przykład wszystkie protony i wszystkie neutrony
są obiektami złożonymi, zbudowanymi z trzech kwarków. Wszystkie atomy
składają się z kwarków i elektronów. W rozdziale 5 znajduje się tabela z
wykazem wszystkich znanych fundamentalnych kwantów, z których zbudowane
są wszystkie inne znane nam obiekty. (Ciemna materia i ciemna energia jeszcze
2

nie zaliczają się do „znanych obiektów”).
Od czasów Demokryta trwa debata, czy Wszechświat w ostatecznym
rozrachunku zbudowany jest z niepodzielnych cząstek, poruszających się osobno
w poza tym pustej przestrzeni, czy też z jednego lub więcej wypełniających
przestrzeń „pól”. Czy przestrzeń jest niemal pusta, czy pełna? Demokryt
zdecydowanie był zwolennikiem cząstek, o czym świadczy ten słynny cytat:
Czymś umownym jest słodkie, czymś umownym gorzkie, czymś umownym
gorące, czymś umownym zimne, czymś umownym jest barwa, ale tym, co
istnieje realnie, są atomy i próżnia [pusta przestrzeń]. To znaczy przedmioty
zmysłowe przyjęte są za realne i jest w zwyczaju za takie je uważać, ale
naprawdę takie nie są. Realne są tylko atomy i pustka53.
Z naszego współczesnego punktu widzenia w obydwu poglądach tkwi nieco
prawdy, ale w idei pól tkwi jej więcej. W rozdziale 5 przedstawiono dowód na
to, że wszystko jest zbudowane z kwantów, które można spójnie opisać jako fale
w wypełniających Wszechświat niewidzialnych polach. Nie znamy spójnego
opisu dowodu doświadczalnego ujętego w kategoriach teorii opartej wyłącznie
na cząstkach. Z punktu widzenia logiki wydaje się możliwe istnienie teorii
opartej zarówno na polach, jak i na cząstkach, ale jest to sprzeczne z zasadą
brzytwy Ockhama: dlaczego Wszechświat miałby być zbudowany z dwóch tak
odmiennych rodzajów fundamentalnych bytów?
Kwanty nie są tym samym co cząstki Demokryta. Po pierwsze, jego a-tomos,
podobnie jak domniemane cząstki Newtona, były trwałe i niezmienne.
Tymczasem kwanty są dość nietrwałe i zmienne. Wszystkie kwanty mogą zostać
w jednej chwili stworzone z innych form energii i w jednej chwili zniszczone.
Po drugie, kwanty mogą przyjmować wiele różnych konfiguracji, zwanych
stanami kwantowymi (rozdział 7).
Kolejna poważna sprzeczność z teorią Demokryta jest taka, że nie ma czegoś
takiego jak pusta przestrzeń. Nawet w odległych krańcach Wszechświata, w
olbrzymich rejonach między galaktykami, gdzie trudno natknąć się na atom,
każdy milimetr sześcienny przestrzeni wypełniony jest jednocześnie polem
grawitacyjnym, elektromagnetycznym i innymi fundamentalnymi polami
fizycznymi. Każde z nich jest obecne zawsze i wszędzie.
Taka mnogość rozmaitych pól wydaje się dezorientująca, jednak jest nadzieja,
że w ostatecznym rozrachunku wszystkie one okażą się jednym,
wszechobecnym zunifikowanym polem, którego natura i zachowanie wyjaśnią
wszystko, co nas otacza. Z pewnością nadzieję na istnienie takiego
zunifikowanego pola żywił Einstein, a współczesnym uosobieniem jego marzeń

jest wizja zunifikowanej kwantowej teorii pola – teorii wszystkiego54.
Takie rejony jak przestrzeń między gromadami galaktyk zawierają głównie
próżnię z kilkoma kwantami. Jednak nieoczekiwanie w fizyce współczesnej
słowo próżnia nie oznacza już nicości. W fizyce współczesnej próżnia fizyczna
oznacza obszar pozbawiony kwantów, ale nie jest równoznaczna nicości. W
istocie każdy kwant to po prostu fala, czy też zaburzenie, w realnych fizycznie
polach próżniowych, które zawierają energię i nie są „niczym”. Tak więc pola
próżniowe są źródłem wszystkiego innego, ponieważ bez nich nie mogą istnieć
kwanty. Przekonamy się (rozdział 5 i 6), że fizyka kwantowa wymaga istnienia
pól próżniowych nawet w obszarach, gdzie w ogóle nie ma kwantów. Coś
takiego jak „nic” jest niemożliwe!
Nigdy nie znajdziemy takiego obszaru przestrzeni, w którym nie będzie
zupełnie nic. Gdybyśmy zdołali usunąć z jakiegoś rejonu wszystkie pola, w tym
pola próżniowe, to rejon ten (zgodnie z fizyką kwantową) po prostu zniknąłby z
fizycznego Wszechświata. Dzieje się tak, ponieważ zasada kwantowa, znana
jako zasada nieoznaczoności Heisenberga, wymaga, by każde pole kwantowe
było obecne wszędzie, przynajmniej w postaci próżni kwantowej. Gdyby
jakiegoś fundamentalnego pola nie było w danym miejscu, oznaczałoby to, że
ma ono tam wartość – siłę czy też wielkość – zero, a więc jego wartości nie
cechuje niepewność kwantowa (nieoznaczoność), co stoi w sprzeczności z
zasadą Heisenberga. Zatem wszędzie musi być obecne przynajmniej minimalne
pole, znane jako fluktuacje kwantowe – losowe fluktuacje wokół zera. Z fizyki
kwantowej wynika, że każdy zakamarek Wszechświata jest wypełniony polami
kwantowymi.
Pola kontra cząstki i natura kwantów to tematy, którym dokładniej przyjrzymy
się w rozdziale 5.

Idea kwantu: natura jest cyfrowa
W 1894 roku czołowy amerykański fizyk Albert Michelson stwierdził, że nie da
się już dokonać nowych fundamentalnych odkryć. Cytując innego
współczesnego mu fizyka, lorda Kelvina, powiedział: „Znakomity fizyk
zauważył, że przyszłych nowych prawd w fizyce trzeba będzie szukać na
szóstym miejscu po przecinku”55. Wielu naukowców podzielało pewność
Michelsona i Kelvina, że wszystkie główne zasady – mianowicie zasady

dynamiki Newtona, zasady termodynamiki (energia, „ciepło” i temperatura) oraz
zasady elektromagnetyzmu – są już znane i nie ulegną zmianie.
Lecz zaledwie sześć lat później, w grudniu 1900 roku, wszystko zaczęło się
zmieniać. Odkryto radykalnie nową fizykę, aczkolwiek w owym czasie nie
zauważono, że jest radykalna, ani nawet że jest nowa. Na zebraniu Niemieckiego
Towarzystwa Fizycznego Max Planck opisał dokonaną przez siebie analizę
promieniowania emitowanego przez ogrzewane obiekty. Żeby w pełni docenić
pomysł Plancka, trzeba poznać tło wydarzeń.
Materia w skali mikroskopowej nigdy nie odpoczywa. Nawet wewnątrz ciał
stałych, które, jak się wydaje, są w spoczynku, poszczególne atomy i cząsteczki
nieustannie drgają, przy czym ich ruchy są „losowe”, czyli niezorganizowane i
nieprzewidywalne. Te mikroskopowe ruchy stanowią odbicie temperatury ciała.
W istocie tym, co rozumiemy przez pojęcie temperatury, na poziomie
mikroskopowym są „losowe ru